我们身处一个对能源极度渴求的社会。自 18 世纪末工业革命以来，人类对电力的需求稳步增长，从工业运营到家用电器，无不依赖电力。与此同时，对高效储能的需求也在不断增长。尽管自伽伐尼 (Galvani) 和伏打 (Volta) 研制出第一批电池以来已发生了诸多变化，但其基本原理依然不变。电池在储存能量并按需释放方面发挥着根本作用，确保能源的可靠供应。
然而，随着我们摆脱化石燃料、迈向更绿色、更可持续的社会，对更好电池的需求也日益增长：续航更长的手机和笔记本电脑、电动汽车、电动滑板车和电动自行车，以及由可再生能源供电的住宅，不一而足。这些电池还必须可充电而非一次性使用，以尽量减少铅酸电池等不必要且污染严重的废弃物。
那么，怎样才算一块好电池？并没有某一项单一特性能让储能达到最优，电池的质量是由多项参数共同决定的。在这篇博客中，我们将探讨完美电池需要具备的五大特性。
1. 长循环寿命
评估电池时需要考虑的一项关键参数是其寿命。随着充放电循环的进行，电池恢复到初始容量的能力会逐渐下降。电池寿命取决于它在总容量降至某一值（通常为初始容量的 80%）以下之前，能够从满充到完全放电的次数。
2. 高效率
能量效率，也称库仑效率，衡量的是充电过程中从电池一个电极转移到另一个电极的电子数与放电过程中转移回来的电子数之比。该指标常被视为了解电池性能最重要的单一参数。这一过程中损失的能量源于电池内阻，能量以热量形式耗散。锂离子电池的这一数值非常高，一般超过 98%，因此非常适合要求能量损失最小、长期循环性能可靠的应用。
3. 高能量密度
能量密度是指电池单位质量所能储存的能量。如今市场对更小、更强大电池的需求持续增长，因此能量密度成为一项至关重要的参数。例如，智能手机和电动汽车等设备需要在更长时间内获得更多能量。因此，要在不显著增大电池尺寸的前提下满足这些需求，更高的能量密度必不可少。然而，当电芯中装入更多能量时，电池失效的风险也随之升高。
与之密切相关的是功率密度，它衡量的是单位质量的能量输出速率。能量密度关注电池能储存多少能量，而功率密度则表示这些能量能以多快的速度释放。这两项指标对于设计既高效又安全、适用于现代应用的电池都至关重要。
4. 安全性
电池的设计初衷是储存能量并在受控条件下释放，但近年来电池失效频频登上新闻头条。电池运行可能导致温度升高。大多数情况下，热量会被系统散发，但冷却不足会导致热量积聚。电池的某些组分（如电解液和正极）容易发生分解反应，即构成它们的分子分解为更简单的分子。
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分解反应会释放额外热量，形成一种危险的正反馈循环，即热失控。随着温度升高，电芯内气体积聚可能导致电池变形。这些气体是可燃的，并可能与正极分解释放的氧气发生反应，形成极易爆炸的高度不稳定混合物。
5. 高低温下均具有良好性能
温度对电池性能有着深刻影响。通常，较高温度会提升电池性能，而较低温度则可能对其产生不利影响。然而，在理想工作温度范围之外运行会严重影响电池的循环寿命。例如，一项研究表明，锂离子电池在 25°C 下运行 200 次循环后性能下降 3.3%，而在 56°C 下运行时，这一数值翻了一番。此外，正如上一节所述，高温还可能影响电池的正常运行，增加发生热失控的可能性。
通往理想电池之路
开发“完美电池”需要在多项关键特性之间取得审慎的平衡。长循环寿命可确保电池在长时间使用中不损失容量。高效率至关重要，可在提升性能的同时将能量损失降至最低。能量密度对于满足设备在保持紧凑的同时更加强大的需求至关重要，对手机和电动汽车 (EV) 等设备尤为重要。然而，更高的能量密度也带来挑战，尤其是在安全性方面，因为发生热失控的可能性更高。此外，电池需要能够在一定温度范围内工作，而温度可能对其性能和寿命都产生不利影响。归根结底，在我们迈向绿色未来的过程中，电池创新需要专注于优化这些参数，从而让我们能够依靠高效、安全、长寿命的储能解决方案。随着研究的持续推进，我们很可能会看到更先进的电池，不断突破储能与用能的极限。