在寒冷的冬天早上开车会让人不愉快。因为当你不能启动发动机时，通常是电池的故障。为什么电池比汽车中的其他地方更容易出问题?答案在于电池将化学能转化为电能的能力，同时产生的热量最少，在低温下可用的热能相对较少。

　　入门指南

　　我记得几年前的一个秋天，我买了一辆新车。第二年冬天是几年来最冷的冬天之一。两周以来，花园里的温度计显示温度低于-10摄氏度(14华氏度)。

　　二月的一个早上，在瑞典山区滑雪度假时，我走到小屋车道上发动汽车，希望能确保全家人在去滑雪缆车的路上有一个舒适的短途车程。转动点火开关，汽车几乎没有启动。汽车发出声音，表明六个气缸不如往常运转平稳。过了将近一分钟，发动机才正常运转。因为这辆车是新的，我觉得这令人担忧。速度表和转速表之间的液晶显示屏慢慢显示为-35℃(-31℉)。今天早上不准滑雪!

　　作为一名电化学工程师，我的思绪从斜坡上飘到了好的旧铅酸电池技术上，当时，这种技术能够提供峰值电流来驱动起动机，并在钥匙的第一次短暂转动中启动发动机。

　　这个问题不仅仅限于电池——内燃机在极低的温度下也会遇到困难。润滑油变得更稠，燃烧反应变得迟缓，并且冷凝物可能在燃料系统的关键部分冻结。然而，我的车确实启动了。在如此寒冷的夜晚，任何没有插上电源的电动汽车都可能根本不会启动。

　　这种差异的原因是什么?答案是化学能转化为机械能的方式:

　　内燃机将储存在燃料中的化学能转化为热能，然后再转化为机械能。

　　电动汽车的发动机将电池中的化学能转化为电能，然后由电动机转化为机械能。与内燃机相比，它产生的热量非常少。

　　内燃机中通过热能转化为机械能的过程从第一个冲程就产生大量的热量来快速加热发动机，使汽车几乎可以立即行驶。然而，电动车在极端温度下产生的缓慢热量并不能提供同样的体验。引用莱斯·格罗斯曼的话，“那是物理学，是不可避免的。”

　　注意，在电动车辆中，化学能量到机械能的转换效率要高得多，因为电池和电动机中的损耗相对较小。

　　撇开效率问题和发热不谈——在我们讨论电池之前——让我们比较一下在寒冷的天气里电动汽车和传统汽车可能造成困难的过程。

　　比较车辆流程

　　让我们从电动机和内燃机开始。我们可以想象，与内燃机相比，电动机受低温的影响较小。它具有较少的运动部件，并且由于运动部件主要由气隙隔开，因此它应该需要较少的润滑并且对低温不太敏感。

　　电动车辆的变速器也没有内燃机车辆的变速器复杂，因为电动马达能够以优异的扭矩在宽范围的负载上运行。此外，电动汽车可能有几个马达(例如，一个在前面，一个在后面)，因此避免了四轮驱动操作所需的大量传动。这意味着电动汽车不需要必须润滑的复杂变速箱。随后，由于这些原因，电动汽车也应该对温度不太敏感。

　　最后，电动汽车不需要复杂的燃料系统，包括泵、阀、仪表、喷射器等。与传统汽车相比，这也应该使它对低温不太敏感，因为受积冰阻碍的部件较少。

　　不出所料，是电池在低温下性能不佳。事实上，低温对电池运行的影响可以在各种应用中观察到，从军事设备和空间应用到手机和家庭报警键盘。在内燃机中，这个部件显然不太重要，内燃机只需要很短的峰值电流来起动发动机。将它与需要持续电流供应的电动汽车进行比较。因此，让我们更仔细地看看电池性能以及它是如何受温度影响的。

　　电池的温度相关特性

　　电池由两个多孔电极组成，一个正极，一个负极。导电电极材料由电极材料的填充颗粒组成。这些颗粒之间的空隙产生了电极的多孔性(见下图)。

　　这两个电极被电解质隔开。此外，两个多孔电极都在固体电极材料颗粒之间的空隙中引入孔电解质。下图显示了电池的放电过程，颗粒尺寸被大大夸大了。

　　给定充电状态下电池的损耗在下图中描述，该图显示了正极(红色)和负极(蓝色)的电流-电位曲线，工作点由I给出1还有-我1在各自的电极上。我们可以假设正、负电极电位是用电解质中间的参比电极测量的(见上图)。这是为了获得两个单独的电极电势，并包括参考电极两侧的欧姆损耗。

　　由于活化损失(由于电化学反应动力学)、传质损失和欧姆损失，电池电势与开路电池电压相比下降(见下文)。请注意，正极的阴极电流被定义为负电流，而负极的阳极电流被定义为正电流。这是因为电池内部电解质的极性与外部电路的极性相反。

　　开路电池电压

　　零电流密度下的电极电位差称为开路电池电压如上图所示，在给定的充电状态下。

　　在给定充电状态下，作为温度函数的电池开路电压由以下表达式计算:

　　(1)

　　在哪里

　　是电池电压，

　　是电池反应的熵变化，

　　电子转移的数量，以及

　　法拉第常数。这意味着对于具有正熵变化的净放电反应的电池(

　　)，电池电压随温度增加。对于具有负熵变化的电池，电池电压随着温度的升高而降低。

　　现代电动汽车中使用的大多数锂离子电池都有轻微的负熵变化或非常小的熵变化，这意味着开路电池电压随着温度的降低而略微升高。仅这一点实际上会提高低温下的性能。然而，与其他参数相比，开路电池电压随温度的变化相对较小，约为0-0.4毫伏/千伏，即在非常冷的温度(-35℃，-31℉)到室温的范围内小于30毫伏。因此，我们可以排除净放电反应热力学是低温性能差的原因。

　　电解质和电极的物理性质

　　电解质的物理性质对电池性能有很大影响。温度影响电解质中的电导率和扩散率，因此也影响孔电解质中的有效电导率和扩散率。

　　电解质的电导率可以从非常冷的温度(-35℃，-31℉)到室温增加一个或多个数量级。如果我们将电解质电导率的对数绘制成1/的函数T，我们得到一个线性关系，如下图所示。该图说明了低温下的低电导率，以及在高温下电导率的指数增长。

　　因此，电池电解质中的欧姆损耗(电阻损耗)随着温度的降低而增加，这导致在较低温度下给定电流下的较低电池电压。此外，电解质导电性差导致多孔电极中的电流密度分布不太均匀，这反过来降低了电池的容量。这容量被定义为在电压迅速下降之前可以从电池中取出的安培小时数。在较低的温度下，容量是存在的，但是低电导率和随后不均匀的电流密度分布使得它在电池加热之前是不可用的。

　　此外，电解质中化学物质的扩散率(对电化学反应的供给至关重要)降低到与电解质电导率相同的程度。扩散率降低会增加浓度过电位，从而降低电池电压。较低的扩散率也降低了电池的容量，因为由于质量传输的限制，电池电极中的大部分颗粒是不可接近的。

　　迁移率降低的物理解释是电解质中可用的热能较少，这使得离子和分子更难克服相互作用或“摩擦”。电解质中作为温度函数的迁移率由阿伦尼乌斯方程描述，其中活化能(Ea在上图中)表示分子克服与相邻分子的相互作用并在电解质中四处移动所需的能量。

　　固体电极材料的电导率通常比孔隙电解质的电导率大几个数量级。对于电池性能而言，固体材料的电导率随温度的变化通常可以忽略不计。然而，在一些电池中，在低温下充电可能会有问题，因为这可能会导致枝晶形成，从而损坏电池。

　　电极动力学

　　电池低温性能差的最后一个重要原因是阳极和阴极反应动力学缓慢，导致活化过电位增加。慢速电极动力学的物理解释是，由于低温下系统中可用的热能较少，活化能变得更难克服。

　　下图描述了激活损耗、欧姆损耗和质量传输损耗增加对电池性能的总体影响。我们可以看到，在给定电流和荷电状态下，两个电极上总过电位的增加是如何导致电池电压降低的。

　　这些曲线源于阿伦尼乌斯方程对于电极处的迁移率和电极动力学，对于可逆电化学反应，这导致相应的巴特勒-沃默表情。

　　热量管理

　　电动汽车中的现代电池系统配备了先进的热管理系统。当电池在高负载下运行时，这些系统能够冷却电池，而在寒冷的冬夜接通电源时，这些系统能够加热电池。

　　热量管理系统将电池保持在最佳工作温度范围(见上图)。请注意，该图指的是电池工作温度，而不是环境温度。热管理系统还降低了以下风险锂离子电池组中的热失控。

　　在低温下加热电池也意味着电动发动机的效率和范围下降，因为一部分电力或再生电力必须转换成热量以保持电池在最佳范围内运行。此外，这些能量中的一部分也可用于加热驾驶室，这也降低了汽车的效率和行驶里程。

　　上图显示了汽车用锂离子电池组模型的结果，该电池组配有冷却和加热通道。这种模型广泛用于电池热管理系统的设计。

　　结束语

　　在极其寒冷的冬夜之后，电动汽车无法快速自发地加热电池，这是因为电动马达效率高，而且不需要产生热能就能转换成机械功。因此，像我这样的滑雪旅行前的晚上，电动车应该一直插上电源，这样电池温度保持在合理的温度范围内。

　　如果遵循这些指南，你的电动汽车将很容易启动——即使是在瑞典山区。事实上，北方大多数室外停车场都有电源插座，大多数传统汽车也装有发动机加热器。在这种温度下，你不想冒险，即使是在内燃机。