小知识 冬季锂电池容量会变低不耐用，为何锂电池“害怕”低温？

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锂离子电池自从进入市场以来，以其寿命长、比容量大、无记忆效应等优点，获得了广泛的应用。锂离子电池低温使用存在容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等问题。然而，随着应用领域不断拓展，锂离子电池的低温性能低劣带来的制约愈加明显。

据报道，在-20℃时锂离子电池放电容量只有室温时的31.5%左右。传统锂离子电池工作温度在-20——+55℃之间。但是在航空航天、军工、电动车等领域，要求电池能在-40℃正常工作。因此，改善锂离子电池低温性质具有重大意义。

制约锂离子电池低温性能的因素

1、低温环境下，电解液的黏度增大，甚至部分凝固，导致锂离子电池的导电率下降。

2、 低温环境下电解液与负极、隔膜之间的相容性变差。

3、 低温环境下锂离子电池的负极析出锂严重，并且析出的金属锂与电解液反应，其产物沉积导致固态电解质界面（SEI）厚度增加。

4、低温环境下锂离子电池在活性物质内部扩散系统降低，电荷转移阻抗（Rct）显著增大。

对于影响锂离子电池低温性能因素的探讨

专家观点一： 电解液对锂离子电池低温性能的影响最大，电解液的成分及物化性能对电池低温性能有重要影响。电池低温下循环面临的问题是：电解液粘度会变大，离子传导速度变慢，造成外电路电子迁移速度不匹配，因此电池出现严重极化，充放电容量出现急剧降低。尤其当低温充电时，锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，导致电池失效。

电解液的低温性能与电解液自身电导率的大小关系密切，电导率大电解液的传输离子快，低温下可以发挥出更多的容量。电解液中的锂盐解离的越多，迁移数目就越多，电导率就越高。电导率高，离子传导速率越快，所受极化就越小，在低温下电池的性能表现越好。因此较高的电导率是实现锂离子蓄电池良好低温性能的必要条件。

电解液的电导率与电解液的组成成分有关，减小溶剂的粘度是提高电解液电导率的途径之一。溶剂低温下溶剂良好的流动性是离子运输的保障，而低温下电解液在负极所形成的固体电解质膜也是影响锂离子传导的关键，且RSEI为锂离子电池在低温环境下的主要阻抗。

专家观点二： 限制锂离子电池低温性能的主要因素是低温下急剧增加的Li+扩散阻抗，而并非SEI膜。

锂离子电池正极材料的低温特性

1、层状结构正极材料的低温特性

层状结构，既拥有一维锂离子扩散通道所不可比拟的倍率性能，又拥有三维通道的结构稳定性，是最早商用的锂离子电池正极材料。其代表性物质有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

谢晓华等以LiCoO2/MCMB为研究对象，测试了其低温充放电特性。结果显示，随着温度的降低，其放电平台由3.762V(0℃)下降到3.207V(-30℃)；其电池总容量也由78.98mA·h(0℃)锐减到68.55mA·h(-30℃)。

2、尖晶石结构正极材料的低温特性

尖晶石结构LiMn2O4正极材料，由于不含Co元素，故而具有成本低、无毒性的优势。

然而，Mn价态多变和Mn3+的Jahn-Teller效应，导致该组分存在着结构不稳定和可逆性差等问题。

彭正顺等指出，不同制备方法对LiMn2O4正极材料的电化学性能影响较大，以Rct为例：高温固相法合成的LiMn2O4的Rct明显高于溶胶凝胶法合成的，且这一现象在锂离子扩散系数上也有所体现。究其原因，主要是由于不同合成方法对产物结晶度和形貌影响较大。

3、磷酸盐体系正极材料的低温特性

LiFePO4因绝佳的体积稳定性和安全性，和三元材料一起，成为目前动力电池正极材料的主体。磷酸铁锂低温性能差主要是因为其材料本身为绝缘体，电子导电率低，锂离子扩散性差，低温下导电性差，使得电池内阻增加，所受极化影响大，电池充放电受阻，因此低温性能不理想。

谷亦杰等在研究低温下LiFePO4的充放电行为时发现，其库伦效率从55℃的100%分别下降到0℃时的96%和-20℃时的64%；放电电压从55℃时的3.11V递减到-20℃时的2.62V。

Xing等利用纳米碳对LiFePO4进行改性，发现，添加纳米碳导电剂后，LiFePO4的电化学性能对温度的敏感性降低，低温性能得到改善；改性后LiFePO4的放电电压从25℃时的3.40V下降到-25℃时的3.09V，降低幅度仅为9.12%；且其在-25℃时电池效率为57.3%，高于不含纳米碳导电剂的53.4%。

近来，LiMnPO4引起了人们浓厚的兴趣。研究发现，LiMnPO4具有高电位(4.1V)、无污染、价格低、比容量大(170mAh/g)等优点。然而，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的离子电导率，故在实际中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶体。

锂离子电池负极材料的低温特性

相对于正极材料而言，锂离子电池负极材料的低温恶化现象更为严重，主要有以下3个原因：

1、低温大倍率充放电时电池极化严重，负极表面金属锂大量沉积，且金属锂与电解液的反应产物一般不具有导电性；

2、从热力学角度，电解液中含有大量C-O、C-N等极性基团，能与负极材料反应，所形成的SEI膜更易受低温影响；

3、碳负极在低温下嵌锂困难，存在充放电不对称性。

低温电解液的研究

电解液在锂离子电池中承担着传递 Li+ 的作用，其离子电导率和 SEI 成膜性能对电池低温性能影响显著。判断低温用电解液优劣，有3个主要指标：离子电导率、电化学窗口和电极反应活性。而这3个指标的水平，在很大程度上取决于其组成材料：溶剂、电解质(锂盐)、添加剂。因此，电解液的各部分低温性能的研究，对理解和改善电池的低温性能，具有重要的意义。

1、EC基电解液低温特性相比链状碳酸酯而言，环状碳酸酯结构紧密、作用力大，具有较高的熔点和黏度。但是、环状结构带来的大的极性，使其往往具有很大的介电常数。EC溶剂的大介电常数、高离子导电率、绝佳成膜性能，有效防止溶剂分子共插入，使其具有不可或缺的地位，所以，常用低温电解液体系大都以EC为基，再混合低熔点的小分子溶剂。

2、锂盐是电解液的重要组成。锂盐在电解液中不仅能够提高溶液的离子电导率，还能降低 Li+ 在溶液中的扩散距离。一般而言，溶液中的Li+浓度越大，其离子电导率也越大。但电解液中的锂离子浓度与锂盐的浓度并非呈线性相关，而是呈抛物线状。这是因为，溶剂中锂离子浓度取决于锂盐在溶剂中的离解作用和缔合作用的强弱。

低温电解液的研究

除电池组成本身外，在实际操作中的工艺因素， 也会对电池性能产生很大影响。

1、 制备工艺

Yaqub等研究了电极荷载及涂覆厚度对 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite电池低温性能的影响发现，就容量保持率而言，电极荷载越小，涂覆层越薄，其低温性能越好。

2、 充放电状态

Petzl 等研究了低温充放电状态对电池循环寿命的影响发现放电深度较大时，会引起较大的容量损失，且降低循环寿命。

3、 其它因素

电极的表面积、孔径、电极密度、电极与电解液的润湿性及隔膜等，均影响着锂离子电池的低温性能。另外，材料和工艺的缺陷对电池低温性能的影响也不容忽视。

所以，为保证锂离子电池的低温性能，需要做好以下几点：

(1) 形成薄而致密的SEI膜；

(2) 保证 Li+在活性物质中具有较大的扩散系数；

(3) 电解液在低温下具有高的离子电导率。

此外，研究中还可另辟蹊径，将目光投向另一类锂离子电池——全固态锂离子电池。相较常规的锂离子电池而言，全固态锂离子电池，尤其是全固态薄膜锂离子电池，有望彻底解决电池在低温下使用的容量衰减问题和循环安全问题。

那么，冬季如何正确对待锂电池？

1、请勿在低温环境下使用锂电池

温度对于锂电池的影响还是很大的，温度越低锂电池的活性就越低，直接导致充放电效率大幅降低，所一般而言，锂电池的工作温度为-20度-60度之间。

当温度低于0℃时，注意不要在室外充电，你充了也充不进去，我们可以将电池拿到室内进行充电（注意，一定远离易燃物！！！），当温度低于-20℃，电池会自动进入休眠状态，无法正常使用。所以北方尤为寒冷地方的用户。

实在没有室内充电条件的，要充分利用电池放电时的余热，停车后立即在阳光下充电，以增加充电量，并避免析锂。

2、养成随用随充的习惯

冬季，当电池电量过低时，我们要做到及时充电，养成随用随充的好习惯，记住，永远不要按照正常的电池续航去预估冬季电池电量。

冬天锂电池活性下降，非常容易造成过放过充，轻则影响电池使用寿命，重则引发燃烧事故。因此，冬天更要注意以浅放浅充的方式充电。特别需要指出的是，不要以一直充电的方式长时间停放车辆，避免过充。

3、充电时请勿远离切记不要长时间充电

不要为了图方便，将车辆长期处于充电状态，做到充满即拔就可以。冬季充电环境不要低于0℃，充电时，不要离开太远，以防突发情况发生，及时处理。

4、充电时使用锂电池专用充电器

市场上充斥着大量的劣质充电器，使用劣质充电器会造成电池损坏，甚至引起火灾。不要贪图便宜购买低价无保障产品，更不要使用铅酸电池充电器；如果你的充电器不能正常使用，立即停止使用，切莫因小失大。

5、注意电池寿命，适时换新

锂电池都有寿命，不同规格型号电池寿命不同，加上日常使用方式不当，电池的寿命几个月到三年不等，如果车子出现断电或是续航异常短，不能充电放电时候请及时联系锂电池维修人员处理。

6、留有余电好过冬

为了来年春天能正常使用车辆，如果长期不用电池，记得充入50%——80%的电量，并且从车上卸下存放，并做到定期充电，大概一个月一充。注意：电池存放一定要放在干燥的环境下哦。

7、正确放置电池

不要将电池浸入水中，或者使电池潮湿；不要将电池叠放超过7层，或者倒置电池方向。

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干货分享MOS各个参数详解

MOS各个参数详解

1 极限参数:

ID: 最大漏源电流。是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过 ID .此参数会随结温度的上升而有所减额。

IDM:最大 脉冲漏源电流。体现一个抗冲击能力，跟脉冲时间也有关系，此参数会随结温度的上升而有所减额。

PD: 最大耗散功率.是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于 PDSM 并留有一定余量.此参数一般会随结温度的上升而有所减额.（此参数靠不住）

VGS: 最大栅源电压.，一般为：-20V~+20V

Tj:最大 工作结温。通常为150℃或175℃，器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度，并留有一定余量。 （此参数靠不住）

TSTG:存储 温度范围

2静态参数

V(BR)DSS:漏 源击穿电压。是指栅源电压 VGS 参数，时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于 V(BR)DSS。它具有正温度特性。故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑，加负压更好。

△V(BR)DSS/△Tj: 漏源击穿电压的温度系数，一般为0.1V/℃。

RDS(on): 在特定的 VGS (一般为 10V)、结温及漏极电流的条件下， MOSFET 导通时漏源间的最大阻抗。它是一个非常重要的参数，决定了 MOSFET 导通时的消耗功率。此参数一般会随结温度的上升而有所增大（正温度特性）。 故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。

VGS(th): 开启电压（阀值电压）。当外加栅极控制电压 VGS超过 VGS(th) 时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中，常将漏极短接条件下 ID 等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低。

IDSS:饱和 漏源电流，栅极电压 VGS=、VDS 为一定值时的漏源电流。一般在微安级。

IGSS:栅 源驱动电流或反向电流。由于 MOSFET 输入阻抗很大，IGSS 一般在纳安级。

3动态参数

gfs:跨导，是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。gfs 与 VGS 的转移关系图如下图所示。

Qgs: 栅源充电电量。

Qg : 栅极总充电电量。MOSFET 是电压型驱动器件，驱动的过程就是栅极电压的建立过程，这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的，下面将有此方面的详细论述。

Qgd : 栅漏充电(考虑到 Miller 效应)电量。

Td(on) : 导通延迟时间.从有输入电压上升到 10% 开始到 VDS 下降到其幅值90% 的时间 ( 参考图 4)。

Tr : 上升时间。输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间。

Td(off) : 关断延迟时间。输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间。

Tf : 下降时间。输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间( 参考图 4)。

Ciss: 输入电容,Ciss= CGD + CGS ( CDS 短路)。

Coss : 输出电容. Coss = CDS +CGD 。

Crss : 反向传输电容. Crss = CGD 。

最后三个公式非常重要

4 雪崩击穿特性参数

这些参数是 MOSFET 在关断状态能承受过压能力的指标.如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态.

EAS :单次脉冲雪崩击穿能量.这是个极限参数,说明 MOSFET 所能承受的最大雪崩击穿能量.

IAR :雪崩电流.

EAR :重复雪崩击穿能量.

5 热阻

结点到外壳的热阻.它表明当耗散一个给定的功率时,结温与外壳温度之间的差值大小.公式表达⊿ t = PD* .

外壳到散热器的热阻,意义同上.

结点到周围环境的热阻,意义同上.

6 体内二极管参数

IS :连续最大续流电流(从源极).

ISM :脉冲最大续流电流(从源极).

VSD :正向导通压降.

Trr :反向恢复时间.

Qrr :反向恢复充电电量.

Ton :正向导通时间.(基本可以忽略不计).

7、一些其他的参数：

Iar: 雪崩电流

Ear: 重复雪崩击穿能量

Eas: 单次脉冲雪崩击穿能量

di/dt---电流上升率（外电路参数）

dv/dt---电压上升率（外电路参数）

ID(on)---通态漏极电流

IDQ---静态漏极电流（射频功率管）

IDS---漏源电流

IDSM---最大漏源电流

IDSS---栅-源短路时，漏极电流

IDS(sat)---沟道饱和电流（漏源饱和电流）

IG---栅极电流（直流）

IGF---正向栅电流

IGR---反向栅电流

IGDO---源极开路时，截止栅电流

IGSO---漏极开路时，截止栅电流

IGM---栅极脉冲电流

IGP---栅极峰值电流

IF---二极管正向电流

IGSS---漏极短路时截止栅电流

IDSS1---对管第一管漏源饱和电流

IDSS2---对管第二管漏源饱和电流

Iu---衬底电流

Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）

gfs---正向跨导

Gp---功率增益

Gps---共源极中和高频功率增益

GpG---共栅极中和高频功率增益

GPD---共漏极中和高频功率增益

ggd---栅漏电导

gds---漏源电导

K---失调电压温度系数

Ku---传输系数

L---负载电感（外电路参数）

LD---漏极电感

Ls---源极电感

rDS---漏源电阻

rDS(on)---漏源通态电阻

rDS(of)---漏源断态电阻

rGD---栅漏电阻

rGS---栅源电阻

Rg---栅极外接电阻（外电路参数）

RL---负载电阻（外电路参数）

R(th)jc---结壳热阻

R(th)ja---结环热阻

PD---漏极耗散功率

PDM---漏极最大允许耗散功率

PIN--输入功率

POUT---输出功率

PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）

Tj---结温

Tjm---最大允许结温

Ta---环境温度

Tc---管壳温度

Tstg---贮成温度

VGSF--正向栅源电压（直流）

VGSR---反向栅源电压（直流）

VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）

VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）

Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）

V（BR）GSS---漏源短路时栅源击穿电压

VDS(on)---漏源通态电压

VDS(sat)---漏源饱和电压

VGD---栅漏电压（直流）

Vsu---源衬底电压（直流）

VDu---漏衬底电压（直流）

VGu---栅衬底电压（直流）

Zo---驱动源内阻

η---漏极效率（射频功率管）

Vn---噪声电压

aID---漏极电流温度系数

ards---漏源电阻温度系数

二、在应用中需要考虑的特征

1、 V ( BR ) DSS 的正温度系数特性。 这一有异于双极型器件的特性使得其在正常工作温度升高后变得更可靠.但也需要留意其在低温冷启机时的可靠性.

2、 V ( GS) th 的负温度系数特性。 栅极门槛电位随着结温的升高会有一定的减小.一些辐射也会使得此门槛电位减小,甚至可能低于 0 电位.这一特性需要工程师注意MOSFET 在此些情况下的干扰误触发,尤其是低门槛电位的MOSFET 应用.因这一特性,有时需要将栅极驱动的关闭电位设计成负值(指 N 型, P 型类推)以避免干扰误触发.阈值电压是负温度系数。 辐射环境下，阈值电压会迅速降为0，为了在辐射环境下关断MOS，需在GS加反压。MOS的开关速度（即斜率）和温度毫无关系，但导通（0V到Vgsth的时间叫导通延时）和关断延时与温度有关，温度越高，时间越短。

3、VDSon/RDSon 的正温度系数特性。 VDSon/RDSon 随着结温的升高而略有增大的特性使得 MOSFET 的直接并联使用变得可能.双极型器件在此方面恰好相反,故其并联使用变得相当复杂化. RDSon 也会随着 ID 的增大而略有增大,这一特性以及结和面 RDSon 正温度特性使得 MOSFET 避免了象双极型器件那样的二次击穿. 额定电压高的MOS有更高的RDS正温度特性。

但要注意此特性效果相当有限,在并联使用、推挽使用或其它应用时不可完全依赖此特性的自我调节,仍需要一些根本措施.

这一特性也说明了导通损耗会在高温时变得更大.故在损耗计算时应特别留意参数的选择.

4、 ID 的负温度系数特性

ID 会随着结温度升高而有相当大的减额.这一特性使得在设计时往往需要考虑的是其在高温时的 ID 参数.

5、雪崩能力 IER/EAS 的负温度系数特性。 结温度升高后,虽然会使得 MOSFET 具有更大的V ( BR ) DSS ,但是要注意 EAS 会有相当大的减额.也就是说高温条件下其承受雪崩的能力相对于常温而言要弱很多.

6、 MOSFET的体内寄生二极管导通能力及反向恢复表现并不比普通二极管好 。在设计中并不期望利用其作为回路主要的电流载体.往往会串接阻拦二极管使体内寄生二极管无效,并通过额外并联二极管构成回路电流载体.但在同步整流等短时间导通或一些小电流要求的情况下是可以考虑将其作为载体的.

7、 漏极电位的快速上升有可能会发生栅极驱动的假触发现象 (spurious-trigger) 。 故在很大的 dVDS/dt 应用场合(高频快速开关电路)需要考虑这方面的可能性.

Rth(j-c)与PD的关系,Tc(环境温度)=Tj-Rth(j-c)*PD

反过来可以推出,环境每上升一度,PD下降数值.(此参数靠不住)

主要参数(高等教育出版社版)

1.开启电压VT

·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；

·标准的N沟道MOS管，VT约为3～6V；

·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2～3V。

2. 直流输入电阻RGS

·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比

·这一特性有时以流过栅极的栅流表示

·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。

3. 漏源击穿电压BVDS

·在VGS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS

·ID剧增的原因有下列两个方面：

（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿

（2）漏源极间的穿通击穿

·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID

4. 栅源击穿电压BVGS

·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。

5. 低频跨导gm

·在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导

·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力

·是表征MOS管放大能力的一个重要参数

·一般在十分之几至几mA/V的范围内

6. 导通电阻RON

·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数

·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间

·由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似

·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内

7. 极间电容

·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS

·CGS和CGD约为1～3pF

·CDS约在0.1～1pF之间

8. 低频噪声系数NF

·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的

·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化

·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）

·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小

·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数

·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小

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