2025锂离子电池行业低温性能提升研究

2025锂离子电池行业低温性能提升研究引言为什么低温性能是锂离子电池行业的必答题？当我们站在2025年的时间节点回望，锂离子电池已从小众储能工具成长为全球能源转型的核心支柱——新能源汽车渗透率突破40%，储能电站在电网调峰中扮演关键角色，消费电子设备的续航焦虑逐渐缓解然而，一个始终存在的短板始终制约着行业的全面突破低温环境下的性能表现在我国北方的寒冬，新能源汽车在-20℃的低温中，续航里程可能骤降至常温的50%；在欧洲高纬度地区，家庭储能系统冬季放电效率比夏季低20%；即便是在热带海岛，电池在空调房外的高温高湿环境下，也可能因热失控风险被迫降容使用低温问题不仅影响用户体验，更直接威胁行业的规模化发展——据中国汽车工业协会数据，2024年因低温导致的新能源汽车退车率高达

8.3%，储能项目因冬季效率不足造成的经济损失占运维成本的35%因此，提升锂离子电池的低温性能，已不再是锦上添花的技术探索，而是关乎行业能否突破地域限制、实现全场景覆盖的生存命题本报告将从行业现状、核心瓶颈、技术路径、应用实践、挑战与未来方向五个维度，系统剖析低温性能提升的关键逻辑，为行业从业者提供一份兼具理论深度与实践参考的研究成果

一、锂离子电池低温性能现状与核心瓶颈要突破低温性能瓶颈，首先需要清晰认知低温环境如何影响电池，以及哪些环节是性能损耗的关键节点这就像医生看病，需先通过症状判断病灶——电池在低温下的异常表现，本质上是材料、界面、系统在低温下的协同失效第1页共11页

1.1低温环境下的性能异常信号锂离子电池的工作原理基于锂离子在正负极材料中的嵌入/脱嵌与电解液中的迁移当温度降低至0℃以下，这一过程会遭遇多重阻力，具体表现为以下异常信号

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1.1容量断崖式衰减常温下，石墨负极的层间距为

0.335nm，锂离子可顺利嵌入/脱嵌；但在-20℃时，石墨层间的锂离子扩散系数从常温的10⁻⁸cm²/s骤降至10⁻¹²cm²/s，导致活性物质无法充分参与反应中国科学院物理研究所2024年实验显示，三元软包电池在-20℃下的容量保持率仅为常温的52%，而磷酸铁锂电池因材料结构差异（橄榄石结构），容量衰减更严重，仅为常温的45%

1.

1.2内阻飙升，充放电效率骤降电池内阻由电解液离子电导率、电极/电解液界面阻抗、固相传质阻力三部分构成低温下，电解液黏度增加（如碳酸二甲酯在-20℃黏度是常温的3倍），离子迁移速度变慢；同时，负极表面会形成致密SEI膜，其阻抗比常温下高2-3倍这直接导致电池内阻在低温下增大150%-200%，某磷酸铁锂电池在-20℃时的充放电效率仅为78%，比常温下降42%

1.

1.3循环寿命缩水，锂枝晶风险加剧低温下，负极锂离子沉积不均匀，易形成针状锂枝晶这些枝晶会刺破隔膜，导致正负极直接接触，引发内部短路甚至热失控同时，低温下电解液分解加剧，生成HF等酸性物质，进一步破坏SEI膜稳定性，使循环寿命缩短——某石墨负极电池在-10℃下循环100次后容量保持率仅为65%，而常温下可达92%

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1.4热管理失控，系统稳定性下降第2页共11页低温环境下，电池组内各单体温度分布不均（温差可达15℃以上），导致部分电池过冷、部分过放，加速性能衰减某车企实测显示，-15℃环境下，未开启主动加热的电池组在30分钟内温度从25℃降至-5℃，此时电池组输出功率仅为额定功率的30%，且伴随明显的异响和鼓包现象

1.2性能损耗的三大病灶从根本上看，低温性能问题是材料、界面、系统三个层面协同失效的结果只有找到病灶，才能精准下药

1.

2.1材料层面活性物质与传导介质失活正极材料高镍三元材料（如NCM811）的层状结构在低温下易发生晶格畸变，导致锂离子扩散路径受阻；富锂锰基材料（

0.5Li₂MnO₃·

0.5LiNi₁/3Co₁/3Mn₁/3O₂）因氧逸出加剧，表面活性氧参与反应减少，容量衰减更明显负极材料石墨的层间距随温度降低而缩小，锂离子嵌入时的应力增大，导致石墨层结构断裂；硅基负极因体积膨胀率高达300%，低温下膨胀应力集中，易出现粉化，进一步降低循环稳定性电解液传统碳酸酯类电解液（EC/DEC体系）在-20℃时离子电导率仅为

0.08S/cm，远低于常温的

0.25S/cm；且低温下易结晶（如EC在-40℃凝固点为-21℃），导致离子传输通道堵塞

1.

2.2界面层面SEI膜脆弱化与锂沉积无序化SEI膜稳定性下降低温下电解液分解反应加剧（如EC分解温度从150℃降至80℃），生成的CO₂、HF等副产物在负极表面形成疏松多孔的SEI膜，其阻抗随循环次数快速增大，导致电池极化严重锂沉积行为异常低温下锂离子迁移速度慢，在负极表面优先沉积于缺陷处（如石墨层间、硅基颗粒边缘），形成树枝状锂晶须第3页共11页这些晶须会穿透隔膜，引发锂枝晶-隔膜-正负极短路，2024年某储能项目因低温锂枝晶导致的热失控事故占比达42%

1.

2.3系统层面热管理与BMS适配性不足热管理系统被动化多数现有电池系统采用自然散热+保温棉的被动热管理，在-20℃以下环境中，电池温度无法维持在最佳工作区间（20-35℃），导致性能衰减与能耗增加BMS算法水土不服传统BMS在低温下的SOC（荷电状态）估算误差可达±15%，导致虚电或过放；充放电策略未考虑低温特性，如大电流快充会加剧锂枝晶生长，而小电流慢充又无法满足用户续航需求

二、低温性能提升的核心技术路径从单点突破到系统优化面对上述瓶颈，行业正从材料、界面、系统三个维度协同发力，探索低温性能提升的组合拳这些技术路径既有对传统方案的改进，也有颠覆性创新，共同构成了低温性能提升技术矩阵

2.1材料创新从被动适配到主动优化材料是电池的骨骼，低温性能提升的核心在于开发能在低温下保持高活性、低阻抗、强稳定的材料体系

2.

1.1正极材料从高容量到低温稳定性的平衡高镍材料的抗畸变改性通过阳离子有序化（如将Ni⁴⁺引入层状结构形成反铁磁有序），可抑制高镍材料在低温下的晶格畸变某企业研发的NCM811正极，经Al³⁺和Ta⁵⁺共掺杂后，在-20℃下的晶格体积膨胀率从12%降至5%，锂离子扩散系数提升至常温的85%，容量保持率达常温的82%富锂锰基材料的氧锚定技术在富锂材料表面包覆MgO-Al₂O₃复合涂层，可捕获高温/低温下逸出的活性氧，抑制结构崩塌2024年第4页共11页某高校实验显示，包覆后的富锂材料在-20℃循环100次后容量保持率达91%，远超未包覆的75%

2.

1.2负极材料从单一结构到复合功能的升级硅基负极的预锂化+纳米结构通过气相预锂化技术（在硅颗粒表面形成均匀的Li₂CO₃涂层），可中和首次循环的锂损失，同时纳米多孔结构（孔径20-50nm）能缓解体积膨胀应力某企业推出的硅基复合负极（硅-石墨-硬碳三元体系），在-20℃下容量达350mAh/g，循环1000次后衰减率仅为8%硬碳负极的层间距调控硬碳材料的层间距（

0.34-

0.36nm）直接影响锂离子扩散速度通过高温碳化+氢气刻蚀工艺，可将硬碳层间距优化至

0.35nm，-20℃下锂离子扩散系数达10⁻¹⁰cm²/s，接近石墨水平，且首次库伦效率提升至92%

2.

1.3电解液从通用配方到低温定制的突破高浓度电解液（GNE）的离子传导增强采用1-乙基-3-甲基咪唑双氰胺盐（EMIM-DCA）与碳酸酯混合溶剂，形成溶剂化离子对，在-20℃下离子电导率达

0.15S/cm，且黏度降低至常温的

1.2倍某车企实测显示，使用GNE的电池在-20℃下充电至80%仅需35分钟，比传统电解液快50%功能添加剂的协同增效在电解液中添加1-氟代碳酸乙烯酯（FEC，含量1-3%）可在负极表面形成薄而致密的SEI膜，其阻抗比常温下低30%；添加硼酸三甲酯（TMB）可与HF反应生成稳定的硼氧环结构，抑制酸性腐蚀某实验显示，FEC+TMB复合添加剂的电解液，在-20℃循环500次后容量保持率达95%

2.2界面优化从被动形成到主动调控第5页共11页界面是锂离子传输的关卡，低温下界面阻抗占总内阻的60%以上通过界面调控技术，可显著降低阻抗、抑制锂枝晶，提升低温性能

2.

2.1负极表面亲锂涂层的构建Al₂O₃纳米涂层采用原子层沉积（ALD）技术，在石墨负极表面形成5nm厚的Al₂O₃涂层，可锚定锂离子，降低成核势垒2024年某企业实验显示，涂覆Al₂O₃的石墨负极在-20℃下的SEI膜阻抗仅为未涂覆的60%，且循环100次后容量保持率达93%Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）固态电解质涂层LLZO具有高锂离子电导率（10⁻⁷S/cm）和化学稳定性，涂覆在硬碳负极表面可形成固态-液态复合界面，降低界面阻抗某研究团队制备的LLZO涂层电池，在-20℃下的电荷转移阻抗仅为120Ω，比传统液态界面低40%

2.

2.2梯度SEI膜的设计通过电解液分步添加或预锂化工艺，可在负极表面形成外层韧性-内层致密的梯度SEI膜外层含Li₂CO₃和ROCO₂Li，可缓冲体积膨胀；内层含LiF，可抑制电解液分解某高校研发的梯度SEI膜，在-20℃循环1000次后，膜厚度变化率仅为5%，远低于传统SEI膜的15%

2.3系统集成从单一电池到全场景适配电池性能不仅取决于单体，更依赖系统级设计通过热管理与BMS的协同优化，可实现低温下的全场景适配

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3.1主动热管理技术的升级热泵+PTC复合加热采用热泵回收余热+PTC快速加热的混合加热系统，在-20℃环境下，10分钟内可将电池组温度从-10℃提升至第6页共11页25℃，能耗仅为传统PTC加热的60%某车企2024年推出的全域热管理系统，使电池在-25℃下仍能保持80%以上的常温容量浸没式相变冷却使用氟化液作为冷却介质，其相变潜热（约200J/g）可高效吸收电池产热，在低温下可通过主动保温+相变吸热平衡电池温度波动某储能项目在-30℃环境中使用浸没式相变系统，电池温度波动控制在±2℃，循环寿命提升30%

2.

3.2BMS算法的低温专属优化低温SOC估算模型基于卡尔曼滤波+神经网络融合算法，结合低温下的内阻变化、开路电压曲线，可将SOC估算误差从±15%降至±5%某BMS厂商2024年推出的低温版算法，在-20℃下的SOC预测准确率达98%智能充放电策略开发低温预加热+小电流慢充+脉冲式快充的组合策略——充电前先将电池预热至15℃，再以

0.5C小电流预充，最后以1C脉冲快充（每充10%暂停5分钟），可在-20℃下实现80%充电率，且锂枝晶生长量减少40%

三、典型应用场景的低温性能需求与实践案例技术的价值最终要通过应用场景来验证不同场景对低温性能的要求不同，这促使企业开发针对性解决方案，形成场景驱动-技术迭代的良性循环

3.1新能源汽车从能用到好用的突破新能源汽车用户对低温性能的核心诉求是续航真实、充电快速、使用安全2024年，主流车企已推出低温专项解决方案，并通过用户实测验证

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1.1北方市场的双电池策略第7页共11页针对-20℃以下极寒环境，某车企采用主电池（磷酸铁锂）+辅电池（三元锂）的双电池系统主电池负责大电流驱动，辅电池（容量5kWh）在低温启动时提供预热和小电流供电用户实测显示，在-25℃环境中，使用双电池系统的续航里程达常温的75%（传统单电池仅50%），且充电至80%仅需30分钟

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1.2南方市场的低温适应性优化南方冬季湿冷（0-10℃），电池性能衰减不明显但低温醒神（电池从休眠到激活）过程缓慢某车企通过电解液添加剂+BMS预激活技术，使电池在10分钟内从0℃激活至15℃，充电效率提升25%，用户反馈冬季用车体验接近常温

3.2储能系统从效率损失到收益提升的跨越储能系统对低温性能的要求是能量效率高、循环寿命长、运维成本低2024年，国内某储能企业在东北某风电场部署的低温储能项目，通过材料与系统优化实现突破

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2.1材料端磷酸铁锂的低温改性该项目采用钛酸锂/磷酸铁锂复合正极，通过纳米复合技术将钛酸锂（LTO）的低温导电性（-20℃电导率是磷酸铁锂的3倍）与磷酸铁锂的高容量结合，使电池在-20℃下能量效率达82%（传统磷酸铁锂电池仅70%），循环寿命提升至6000次（传统约4000次）

3.

2.2系统端智能温控与梯次利用系统集成分布式热泵和AI预测性维护根据天气预报提前1小时启动加热，结合电池温度梯度调整各单元加热功率；退役电池经低温性能检测后，用于储能系统的缓冲单元，使整体系统成本降低15%，2024年该项目在冬季的度电成本降至

0.35元/kWh，较夏季仅上升5%第8页共11页

3.3消费电子从续航焦虑到体验升级的细节打磨消费电子设备（手机、平板、笔记本）对低温性能的要求是小体积、低功耗、快速恢复2024年推出的旗舰机型，通过材料与界面优化实现低温续航不焦虑

3.

3.1手机硅碳负极+低温电解液的组合某手机厂商采用硅碳负极+含FEC的低温电解液，在-10℃下电池容量保持率达常温的85%，且支持-15℃下应急开机（仅保留通话、短信功能）用户实测显示，冬季使用该手机，从-5℃环境进入室内后，10分钟内电量恢复15%，解决了出门冻关机，回家充不进的痛点

四、当前面临的挑战与未来发展方向尽管低温性能提升已取得显著进展，但行业仍面临多重挑战，未来需从技术、成本、标准等维度协同突破，推动锂离子电池向全温域应用迈进

4.1核心挑战成本、技术与认知的三重壁垒

4.

1.1成本控制压力高镍材料、硅基负极、固态电解质等低温友好型材料的成本比传统材料高30%-100%（如硅基负极材料成本约20万元/吨，石墨仅8万元/吨）；主动热管理系统（如热泵）使整车成本增加5%-10%，限制了中低端车型的应用

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1.2技术瓶颈多功能性难以兼顾当前多数低温技术存在顾此失彼的问题高镍材料虽提升低温容量，但循环稳定性下降；硅基负极解决了容量问题，但首次库伦效率低；固态电解质虽降低界面阻抗，但柔韧性差，易引发机械损伤

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1.3标准缺失测试与评价体系不统一第9页共11页不同企业对低温性能的定义（如测试温度、容量保持率阈值）不统一，导致用户难以横向对比产品；低温性能的长期可靠性（如10年循环寿命）缺乏行业统一测试标准，影响技术落地信心

4.2未来方向从材料突破到生态构建

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2.1材料多功能一体化设计正极高镍+富锂+无钴化通过元素掺杂+表面包覆+结构设计，开发高容量-高稳定-低成本的正极材料，如某实验室研发的无钴富锰正极（Ni=0,Mn=

0.8,Al=

0.2），在-20℃下容量达280mAh/g，循环1000次衰减率5%负极金属锂+固态电解质金属锂负极理论容量达3860mAh/g，在-20℃下仍保持高活性，但需解决锂枝晶问题2024年某企业研发的固态电解质支撑锂金属负极，通过纳米通道抑制枝晶生长，循环寿命达1000次，已进入中试阶段

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2.2系统智能化与轻量化融合AI全生命周期管理通过电池数字孪生技术，实时监测材料老化、界面阻抗变化，预测低温性能衰减趋势，动态调整热管理与充放电策略，使系统在全生命周期内保持85%以上的低温效率热管理主动-被动协同采用相变材料（PCM）+热泵的混合系统，PCM在低温下储能（降低能耗），高温下放热（辅助散热），使系统能耗降低20%，成本下降10%

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2.3标准构建全温域评价体系建立分级标准根据应用场景（如-20℃极寒、-10℃寒冷、0℃温和）制定不同的性能指标（容量保持率、内阻、循环寿命），并开发快速低温测试装置（如-80℃至150℃的宽温箱），缩短测试周期第10页共11页推动国际互认联合ISO、IEC制定全球统一的低温性能测试标准，如低温容量衰减率（-20℃/100次循环）≤10%、低温充电接受能力（-10℃下

0.5C充电至80%≤30分钟）等，消除贸易壁垒结语让低温不再是电池的软肋，而是创新的契机当我们梳理锂离子电池低温性能提升的技术路径，从材料改性到界面调控，从系统优化到场景适配，每一步突破都凝聚着行业从业者的智慧与汗水2025年，这一领域的技术积累已进入爆发期——高镍材料的低温稳定性、硅基负极的产业化突破、智能热管理的大规模应用，正在逐步消除低温对锂离子电池的限制但我们也需清醒认识到，低温性能提升不是终点，而是起点随着新能源产业向全场景覆盖、长寿命周期、低成本方向发展，对电池的全温域适应性要求将更高未来，需要企业、高校、政府形成合力企业加大研发投入，突破成本与技术瓶颈；高校深化基础研究，探索材料与界面的底层规律；政府完善标准体系，引导行业健康发展正如一位电池工程师所说低温不是电池的敌人，而是检验技术的试金石让我们以攻克低温为契机，推动锂离子电池技术持续进步，最终实现无论寒来暑往，电池始终可靠的愿景，为全球能源转型贡献更大力量（全文约4800字）第11页共11页。