電車不懼凜冬！寧德時代吳凱：新型低溫電解液對三元、鐵鋰、M3P電池都適用

對于電動車主而言，冬季伺候“電動爹”的尷尬局面有望得到改善。

近日寧德時代首席科學家吳凱在出席2023年中國汽車論壇時表示，目前寧德時代已開發出了全新的電解液材料。新的電解液在-20℃的極寒條件下可以將電池充電效率提高50%，在正常溫度下則可以提高43%。

7月10日，吳凱對澎湃新聞記者進一步解釋，無論是現有的三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池，還是寧德時代即將量產的新型M3P電池，這種能夠改善電池低溫性能的新型電解液都適用。“只是說，對于三種不一樣的電池正極化學體系，改善的電解液配方，并不一樣。”吳凱說。

基于正極材料的不同，目前鋰電池的兩種主流路線是鎳鈷錳三元鋰和磷酸鐵鋰電池，而M3P電池是寧德時代研發的基于磷酸鹽體系的三元鋰電池，最新消息是即將在今年第三季度首發于特斯拉中國產的MODEL 3改款。

在此前在宜賓舉辦的2023世界動力電池大會上，吳凱也說，“新能源汽車和動力電池技術發展到今天，里程焦慮不是用戶的第一核心問題，動力電池要解決全氣候可靠、全場景可靠以及補能的問題。”

眾所周知，冬季的天氣對電動汽車來說是一個不小的挑戰。

今年春節，一名微博網友就記錄了自己在駕車的心酸歷程：“由于氣溫過低續航直線下降，車機反復提示無法到達目的地。本打算在高速服務區充電，沒想到連續兩個服務區都沒有充電樁，下高速的充電距離也很遠。”

另一名網友則記錄，“為了堅持開到第三個服務區，中途開始降速，速度逐漸從100—90—80—70—60，關空調，開雙閃，靠右行駛，在零下十幾度的氣溫中瑟瑟發抖，堅持了50分鐘終于到達了長城嶺服務區，到達時續航僅剩7公里……”

到了寒冷的冬天，電動汽車續航堪稱“打骨折”。以特斯拉Model 3為例，媒體測出的常溫續航達成率為82%，而到了-15至-10°C的冬季環境，續航達成率大幅降至46%，下降36個百分點。而在兩種電池正極路線中，磷酸鐵鋰電池低溫性能較三元電池表現更差，冬季續航打折問題尤為顯著。

據業內人士介紹，通常而言，在低溫環境下，鋰離子電池使用存在容量低、衰減嚴重、循環倍率性能差、析鋰現象明顯、脫嵌鋰不平衡等問題。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室的劉杲教授此前發表在Energy Environ. Sci.的論文Liquid electrolyte development for low-temperature lithium-ion batteries中指出，“鋰離子電池的可用容量通常會隨著溫度的降低而降低，特別是低于-20 °C，有時會低于其室溫值的25%。另一方面，電池在低溫下充電，也可能發生不可逆的容量損失。”

隨著應用領域不斷拓展，鋰離子電池目前的低溫性能帶來的制約愈加明顯。

那么，在改善鋰離子電池的低溫性能上，電解液能起到什么作用呢？

據了解，液態鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解液四大部分組成，電解液主要負責在正負極之間傳導導電離子的作用，被稱為“電池的血液＂。

劉杲在其論文中指出，“盡管許多單獨的過程會導致低溫下鋰離子電池的容量損失，但它們中的大多數因素在一定程度上受到全電池內部存在的非水系液態電解質的控制。因此，電解液工程為研究和解決電池低溫失效提供了廣闊的前景。”

具體來看，在低溫條件下，電解液粘度增加，鋰離子電導率降低，從而導致外電路電子遷移速度不匹配，電池出現嚴重極化，充放電容量出現急劇降低。尤其當低溫充電時，鋰離子很容易在負極表面形成鋰枝晶，導致電池失效。

石墨‖LiNi0.80Co0.15Al0.05O2全電池中鋰傳輸路徑的完整概述示意圖，圖片來源：Energy Environ. Sci

據了解，現目前鋰離子電池的電解液主要成分是溶劑、溶質（鋰鹽）和添加劑等，按比例在一定條件下調制而成，三種原料質量占比分別為80%－85%、10%－12%、3%－5%。

用于改善低溫性能的電解液策略示意圖，圖片來源：Energy Environ. Sci

其中，溶劑主要作為鋰離子的運輸載體，常用的為碳酸酯類溶劑，包括碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、 碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等。

溶質（鋰鹽）作為鋰離子的提供者，一般選用四氟硼酸鋰（LiBF4）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、新型鋰鹽雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）等。鋰鹽在電解液中不僅能夠提高溶液的離子電導率，還能降低 Li+ 在溶液中的擴散距離。一般而言，溶液中的Li+濃度越大，其離子電導率也越大。

添加劑是特定功能的物質，電解液一般含多種添加劑，按作用分為成膜添加劑、高／低溫添加劑、過充保護添加劑、阻燃添加劑、倍率型添加劑等。常見的為碳酸亞乙烯酯（VC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。

據介紹，目前業內改善電解液低溫性能的策略通常是調整溶劑、溶質（鋰鹽）和添加劑的含量和比例。

例如劉杲在其論文中其指出，在低溫條件下電解液粘度的增加會導致電解液鋰離子電導率降低，從而導致電池內部電阻上升。粘度增加與EC溶劑含量密切相關，因此低溫條件下應盡量避免使用EC溶劑。

由于EC溶劑的高熔點，容易發生凝固現象。通過添加鋰鹽（1 M LiPF6）可進一步降低凝固點，使實際電解液的液相線進一步降低至-20℃至-30℃。而與線性碳酸酯相比，PC在作為助溶劑添加時更有效地抑制EC結晶。

據了解，目前在低溫電解液方面下功夫的國內電池企業，除了寧德時代，還有國軒高科、輝鵬能源等。國軒高科工程研究總院院長蔡毅在2021年就透露，“國軒新電解液配方能夠提升鐵鋰電池低溫性能超過20%。”而輝鵬能源表示，該公司通過雙鋰鹽、多溶劑復配，實現高電導、寬溫程電解液的開發。

而為了全面改善鋰離子電池的低溫效能，目前業內在電池材料探索上也不僅僅是電解液，還包括增強鋰離子電池正極材料表面的導電性、增加電池隔膜的孔隙率等方式。例如寧德時代就還擁有電池內部快速自加熱技術，利用脈沖電流所釋放的熱能對電池加熱，以2℃/min的加熱速率，整個加熱過程中電芯溫差不超過4℃。使用電池6%左右的能量，15分鐘從-20℃提升到10℃。