一、開篇：極寒環(huán)境下的供電困境

2023年，中國南極科考隊(duì)某關(guān)鍵監(jiān)測(cè)設(shè)備在-45℃環(huán)境下突然斷電——這不是個(gè)例。

在極地、高海拔、寒帶地區(qū)，鋰電池“怕冷”是公認(rèn)的技術(shù)難題：

l 當(dāng)溫度降至-20℃以下，普通鋰電池容量保持率驟降至60%左右

l 降至-30℃，多數(shù)鋰電池?zé)o法正常放電

l 降至-40℃，電解液接近凝固，電池基本失效

l 低溫充電更是禁區(qū)——極易引發(fā)析鋰，導(dǎo)致內(nèi)部短路甚至起火

然而，南極科考站的高空探測(cè)設(shè)備、青藏高原的通信基站、寒區(qū)的軍工裝備，都必須在極寒環(huán)境中可靠運(yùn)行。

極端環(huán)境電源，成為這些領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)壁壘。

鉅大鋰電，一家23年專注定制鋰電池的國家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)，將目光投向了這一難題。其特種電池研究院聯(lián)合中南大學(xué)、華南理工大學(xué)，歷時(shí)三年攻關(guān)，從材料、界面、結(jié)構(gòu)三個(gè)維度，系統(tǒng)解決了鋰電池的低溫難題。

本文首次深度解析鉅大鋰電超低溫電池技術(shù)的研發(fā)路徑與技術(shù)突破，并通過南極科考真實(shí)案例，展示-50℃環(huán)境下鋰電池的實(shí)際表現(xiàn)，探討從極寒到高海拔等極端場景的電源解決方案。

二、技術(shù)挑戰(zhàn)：鋰電池為什么“怕冷”？

要理解鉅大低溫電池的技術(shù)突破，先要知道鋰電池在低溫下面臨的“三大殺手”：

2.1 電解液“凝固”

低溫下電解液粘度急劇增大，甚至部分凝固，鋰離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)速度變慢——如同人在泥沼中行走。這直接導(dǎo)致電池內(nèi)阻飆升、容量驟降。

2.2 負(fù)極“析鋰”風(fēng)險(xiǎn)

低溫充電時(shí)，鋰離子來不及嵌入負(fù)極，在表面沉積形成“鋰枝晶”。輕則造成不可逆的容量衰減，重則刺穿隔膜引發(fā)內(nèi)部短路——這是低溫充電最大的安全隱患。

2.3 內(nèi)阻飆升

低溫下電池內(nèi)阻可增加數(shù)倍，導(dǎo)致放電時(shí)電壓驟降。設(shè)備明明“有電”，卻因電壓不足而關(guān)機(jī)。

行業(yè)普遍困境：常規(guī)鋰電池在-20℃時(shí)容量保持率僅60%左右，-30℃時(shí)降至30%以下，-40℃時(shí)基本無法工作。而能夠?qū)崿F(xiàn)-40℃充電的電池，更是鳳毛麟角。

三、技術(shù)突破：鉅大超低溫鋰電池的研發(fā)路徑

鉅大鋰電特種電池研究院聯(lián)合中南大學(xué)、華南理工大學(xué)，歷時(shí)三年攻關(guān)，從材料、界面、結(jié)構(gòu)三個(gè)維度，系統(tǒng)解決了鋰電池的低溫難題。

3.1 突破一：特種電解液與隔膜體系——讓離子在-50℃也能“暢行”

技術(shù)路徑：

l 電解液優(yōu)化：引入低粘度溶劑體系，顯著降低電解液的凝固點(diǎn)；優(yōu)化鋰鹽濃度，在低溫下保持高解離度；添加功能性成膜添加劑，在負(fù)極表面形成薄而穩(wěn)定的SEI膜，降低鋰離子穿越阻抗。

l 隔膜創(chuàng)新：采用3D微納多孔聚合物電解質(zhì)膜，提高離子透過率；結(jié)合聚合物復(fù)合陶瓷隔膜，增強(qiáng)低溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

l 界面工程：在活性材料上采用石墨烯自組裝包覆技術(shù)，構(gòu)建快速離子傳輸通道。

成果：

電解液在-50℃環(huán)境下仍保持良好流動(dòng)性

離子電導(dǎo)率較常規(guī)電解液提升3倍以上

低溫下界面阻抗降低40%以上

3.2 突破二：負(fù)極材料改性——給鋰離子“預(yù)留高速通道”

技術(shù)路徑：

l 高嵌鋰電位負(fù)極基材：通過元素?fù)诫s和表面修飾，提高負(fù)極材料的嵌鋰電位，降低低溫析鋰風(fēng)險(xiǎn)。

l 表面包覆技術(shù)：在負(fù)極材料表面構(gòu)建快離子導(dǎo)體層，加速鋰離子嵌入/脫出。

l 粒徑優(yōu)化：優(yōu)化負(fù)極材料粒徑分布，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑。

成果：

-20℃環(huán)境下可正常充電，極限充電溫度可達(dá)-30℃

-40℃條件下，鋰離子嵌入效率提升40%

低溫循環(huán)300周后，電池膨脹率僅0.66%（常規(guī)電池20周膨脹率達(dá)9.4%）

SEM圖像顯示：-40℃循環(huán)10周后，負(fù)極SEI膜完好，無鋰枝晶產(chǎn)生

3.3 突破三：電芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化——從設(shè)計(jì)端降低內(nèi)阻

技術(shù)路徑：

極片設(shè)計(jì)優(yōu)化：采用多極耳結(jié)構(gòu)，縮短電子傳輸路徑，降低歐姆極化。

內(nèi)外多層導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)：優(yōu)化電池內(nèi)部熱分布，避免局部過熱或過冷，提高低溫一致性。

隔膜選型：選用低阻抗、高孔隙率隔膜，降低離子傳輸阻力。

電解液浸潤：優(yōu)化注液工藝，確保低溫下電解液充分浸潤極片。

成果：

l -40℃內(nèi)阻增幅較常規(guī)電池降低35%

l 高倍率放電能力（5072100CL-3000mAh）：

• -40℃ 5C放電容量保持率≥90%

l 多倍率放電能力（654468CL-2000mAh）：

• -40℃ 0.2C放電≥90%

• -40℃ 1C放電≥80%

• -40℃ 2C放電≥70%

• -40℃ 3C放電≥75%

3.4 突破四：低溫可充放電技術(shù)——解決低溫充電難題

技術(shù)路徑：

負(fù)極材料改性：采用高嵌鋰電位負(fù)極基材，抑制低溫析鋰

電解液優(yōu)化：開發(fā)寬溫域電解液，支持低溫充電

SEI膜調(diào)控：構(gòu)建薄而穩(wěn)定的SEI膜，降低低溫充電阻抗

成果（以104058-1500mAh為例）：

充電能力：常規(guī)充電溫度 -20℃~+45℃，極限充電溫度 -30℃~50℃

放電能力：常規(guī)放電溫度 -40℃~+55℃，極限放電溫度 -50℃~65℃

低溫循環(huán)：-20℃ 0.2C充放電循環(huán)300周，容量保持率≥90%

常溫循環(huán)：1C充放電循環(huán)1000周，容量保持率≥80%

循環(huán)后膨脹率：-20℃循環(huán)300周后，電池膨脹率僅0.66%（常規(guī)電池20周膨脹率達(dá)9.4%）

SEM驗(yàn)證：-40℃循環(huán)10周后，負(fù)極SEI膜完好，無鋰枝晶產(chǎn)生

這一技術(shù)突破使得鉅大鋰電成為少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)-20℃低溫充電的廠家之一，解決了極寒環(huán)境下設(shè)備“有電充不進(jìn)”的痛點(diǎn)。

四、鉅大低溫鋰電池關(guān)鍵數(shù)據(jù)驗(yàn)證

經(jīng)過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)及第三方抽檢，鉅大超低溫18650電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)如下：

（注：以上數(shù)據(jù)基于鉅大鋰電內(nèi)部測(cè)試及第三方抽檢，可提供詳細(xì)測(cè)試報(bào)告）

溫度-容量保持率曲線對(duì)比：

五、標(biāo)桿案例深度復(fù)盤：南極科考

5.1 背景與挑戰(zhàn)

2023年，某南極科考站需為室外氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備配備備用電源。

核心需求：

在-50℃極寒環(huán)境下，確保設(shè)備連續(xù)工作48小時(shí)

支持-40℃環(huán)境下充電（極夜期間設(shè)備回傳數(shù)據(jù)后需補(bǔ)電）

設(shè)備需長期戶外放置，無法人工干預(yù)

應(yīng)對(duì)雪埋、強(qiáng)風(fēng)等惡劣環(huán)境

極端挑戰(zhàn)：

當(dāng)?shù)囟咀畹蜏乜蛇_(dá)-50℃

極夜期間連續(xù)數(shù)月無光照，無法依賴太陽能

設(shè)備重量有限制，電池需兼顧容量與便攜

5.2 鉅大解決方案

基于超低溫技術(shù)平臺(tái)，鉅大為該科考站定制了12V/100Ah超低溫電池組：

5.3 實(shí)際表現(xiàn)

低溫放電測(cè)試（現(xiàn)場實(shí)測(cè)）：

-40℃至-50℃環(huán)境下，電池組以0.2C持續(xù)放電，連續(xù)供電52小時(shí)，超出預(yù)期

放電終止時(shí)，單節(jié)電芯電壓仍高于2.8V

低溫充電測(cè)試：

-40℃環(huán)境下，電池組以0.2C充電，充電效率達(dá)85%（行業(yè)內(nèi)普遍無法在-30℃以下充電）

充電過程中BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯溫度，確保安全

長期可靠性：

經(jīng)過兩個(gè)完整南極冬季（累計(jì)18個(gè)月）運(yùn)行，電池組容量保持率仍＞85%

未出現(xiàn)任何安全故障

5.4 用戶反饋

“這是我們?cè)谀蠘O使用過的唯一能在-50℃環(huán)境下穩(wěn)定充放電的國產(chǎn)鋰電池。之前的進(jìn)口電池在-40℃以下也經(jīng)常出問題，鉅大這塊電池的表現(xiàn)讓我們很驚喜。”

—— 南極科考站設(shè)備負(fù)責(zé)人

六、技術(shù)延展：從南極到更多極端場景

南極科考的成功，驗(yàn)證了鉅大低溫技術(shù)的可靠性。基于同一技術(shù)平臺(tái)，鉅大已推出多系列低溫產(chǎn)品，滿足不同場景需求：

6.1 鉅大低溫鋰電池產(chǎn)品矩陣

6.2 鉅大低溫鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域拓展

七、技術(shù)展望：下一代極端環(huán)境電源

極端環(huán)境對(duì)鋰電池的考驗(yàn)，從未停止。

鉅大鋰電正在研發(fā)的寬溫域固態(tài)電池，已取得階段性突破：

l 目標(biāo)工作溫度：-60℃ ~ +100℃

l 關(guān)鍵技術(shù)：固態(tài)電解質(zhì)（消除低溫電解液凝固問題）、界面工程

l 當(dāng)前進(jìn)展：已獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，實(shí)驗(yàn)室樣品在-60℃環(huán)境下放電容量保持率＞60%

l 預(yù)計(jì)量產(chǎn)：2026年小批量試產(chǎn)

該項(xiàng)目是鉅大與中南大學(xué)、華南理工大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作的成果，已申請(qǐng)發(fā)明專利8項(xiàng)。

八、結(jié)語

從南極科考到高原監(jiān)測(cè)，從寒區(qū)儲(chǔ)能到軍工裝備，極端環(huán)境對(duì)電源的要求日益嚴(yán)苛。

鉅大鋰電23年專注定制鋰電池，以扎實(shí)的技術(shù)積淀攻克低溫難關(guān)：

l -50℃超低溫放電

l -20℃低溫充電（極限-30℃）

l -40℃ 5C高倍率放電（容量保持率≥90%）

l 低溫循環(huán)超2000次

l 低溫循環(huán)300周膨脹率僅0.66%（常規(guī)電池20周達(dá)9.4%）

這些不是實(shí)驗(yàn)室的極限數(shù)據(jù)，而是已在南極極寒環(huán)境中驗(yàn)證的實(shí)戰(zhàn)能力。

作為國家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)，鉅大鋰電將繼續(xù)深耕極端環(huán)境電源解決方案，讓設(shè)備在更嚴(yán)苛的環(huán)境中可靠運(yùn)行。未來，隨著寬溫域固態(tài)電池等新一代技術(shù)的研發(fā)落地，鉅大鋰電將為極端環(huán)境供電帶來更多可能。

如果您也有極端環(huán)境下的供電難題，歡迎聯(lián)系鉅大鋰電，共同探討技術(shù)方案。

 market@juda.cn

 0769-2698 3348

 m.clant.cn

廣東省東莞市東城街道景怡路8號(hào)

附錄

作者簡介

本文由鉅大鋰電特種電池研究院撰寫。研究院現(xiàn)有教授級(jí)專家6人、工程師12人，與中南大學(xué)、華南理工大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)辦，專注于低溫、防爆、高倍率等特種鋰電技術(shù)研究。

相關(guān)榮譽(yù)

2023年“苛刻溫度環(huán)境服役的鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)”獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

2024年“寬溫域高安全固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

延伸閱讀

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