השימוש בסוללות ליתיום-יון מוגבל בסביבות של טמפרטורות נמוכות, שכן יכולת הפריקה שלהן תרד מאוד ולא ניתן להטעין אותן בטמפרטורות נמוכות. במהלך טעינה בטמפרטורה נמוכה, החדרת יוני ליתיום על אלקטרודת הגרפיט של הסוללה ותגובת ציפוי הליתיום מתקיימים במקביל ומתחרים זה בזה. בתנאי טמפרטורה נמוכה, דיפוזיה של יוני ליתיום בגרפיט מעוכבת, ומוליכות האלקטרוליט יורדת, מה שמוביל לירידה בקצב ההחדרה. על פני השטח של גרפיט, יש סיכוי גבוה יותר שתגובת ציפוי הליתיום תתרחש.
מחקר הראה שסוללה בקיבולת של 3500mAh, אם מופעלת בסביבה של -10 מעלות , לאחר פחות מ-100 מחזורי טעינה ופריקה, תחווה ירידה חדה בקיבולת הסוללה ל-500mAh, והיא בעצם מבוטלת. כלומר, בסביבת עבודה של תואר -10, אם רכב חשמלי נטען ונפרק פעם ביום, יהיה צורך לבטל את המצבר ולהחליף אותו בחדש לאחר שלושה חודשים.
הסיבות המשפיעות על הביצועים בטמפרטורה נמוכה של סוללות ליתיום ברזל פוספט:
1. מבנה אלקטרודה חיובי
המבנה התלת מימדי של חומר האלקטרודה החיובית מגביל את קצב הדיפוזיה של סוללות ליתיום ברזל פוספט, במיוחד בטמפרטורות נמוכות. לחומרי אלקטרודה חיוביים שונים יש מבנים תלת מימדיים שונים. כיום, חומרי אלקטרודה חיוביים חשובים המשמשים בסוללות ליתיום-יון לרכבים חשמליים הם פוספט ליתיום ברזל, חומרים טרינריים של ניקל קובלט מנגן ותחמוצת ליתיום מנגן. קיבולת הפריקה של סוללות ליתיום ברזל פוספט יכולה להגיע רק ל-67.38% מקיבולת טמפרטורת החדר ב--20 מעלות, בעוד שסוללות ניקל קובלט מנגן יכולות להגיע ל-70.1%.
2. ממס בנקודת התכה גבוהה
בשל נוכחותם של ממיסים בנקודת התכה גבוהה בממס המעורב של אלקטרוליט, הצמיגות של אלקטרוליט סוללת ליתיום-יון עולה בטמפרטורות נמוכות. כאשר הטמפרטורה נמוכה מדי, מתרחשת התמצקות אלקטרוליט, המובילה לירידה בקצב ההולכה של יוני הליתיום באלקטרוליט.
3. קצב דיפוזיה של יוני ליתיום
קצב הדיפוזיה של יוני ליתיום באלקטרודות שליליות גרפיט יורד בתנאי טמפרטורה נמוכה. העלייה בעכבת העברת המטען של סוללות ליתיום-יון בסביבות בטמפרטורה נמוכה מובילה לירידה בקצב הדיפוזיה של יוני ליתיום באלקטרודה השלילית של גרפיט, וזו סיבה חשובה המשפיעה על הביצועים בטמפרטורה נמוכה של סוללות ליתיום ברזל פוספט.
4. ממברנת SEI
בסביבות בטמפרטורה נמוכה, סרט ה-SEI על האלקטרודה השלילית של סוללות ליתיום ברזל פוספט מתעבה, והעכבה של סרט ה-SEI עולה, מה שמוביל לירידה בקצב ההולכה של יוני ליתיום בסרט ה-SEI. בסופו של דבר, הקיטוב שנוצר במהלך טעינה ופריקה בסביבות בטמפרטורה נמוכה מפחית את יעילות הטעינה והפריקה.
5. סביבת ייצור
כמוצר היי-טק עם חומרי גלם כימיים רבים ותהליכים מורכבים, לסוללות ליתיום ברזל פוספט יש דרישות גבוהות לטמפרטורה, לחות, אבק וגורמים אחרים בסביבת הייצור שלהן. אם לא נשלט כראוי, איכות הסוללה תשתנה.
סיכום: נכון לעכשיו, גורמים מרובים משפיעים על הביצועים בטמפרטורה נמוכה של סוללות ליתיום ברזל פוספט, כגון מבנה האלקטרודה החיובית, קצב הנדידה של יוני ליתיום בחלקים שונים של הסוללה, העובי וההרכב הכימי של סרט SEI, ובחירת מלחי ליתיום וממיסים באלקטרוליט. ביצועי הטמפרטורות הנמוכות מגבילות את היישום של סוללות ליתיום-יון בתחום הרכבים החשמליים, בתחומים מיוחדים ובסביבות קיצוניות. פיתוח סוללות ליתיום-יון עם ביצועים מצוינים בטמפרטורות נמוכות הוא דרישה דחופה בשוק.
