1.4 表征电池性能的重要参数

1.4.1 电池的电动势（E）

在等温等压条件下，当体系发生变化时，体系减小的吉布斯自由能小于等于对外所做的最大非膨胀功，如果非膨胀功只有电功，则

ΔG_T,P=−nFE

同时，电池的标准电动势等于正极标准电极电势减去负极的标准电极电势，即

E^θ_电池=E^θ_正极−E^θ_负极

考虑到电极反应并不是在标准条件下发生的电化学反应，根据Nernst方程，电池的电动势可以表达为

式中，R是通用气体常数，也叫理想气体常数；T是绝对温度，也叫热力学温度；F是法拉第常数；z是电池电化学反应中得失的电子数；Q_r为反应商。电池在实际工作条件下存在各种极化会产生过电位，导致实际电动势要比理论电动势小一些，其中包括：

1）电极与电解液界面处的电荷转移极化，其大小与电极反应动力学直接相关；

2）由于电池存在内阻导致的电压降；

3）由于活性物质传质产生浓度梯度导致浓差极化。因此，最终电池的输出电压可表示为

其中，在小电流时，电池的过电势主要为电荷转移过电势；当电流增加到中等级别时，由于电池内阻产生的电压降快速增加并成为重要组成部分；当电流继续增加时，传质过程产生的浓差极化过电势也成为不可忽视的一部分。

1.4.2 电池的理论容量（Q）

电池的理论容量可以根据电池中含有的活性物质的量来计算：

式中，n是摩尔反应中得失的电子数；F是法拉第常数；M是电极材料的摩尔质量。不过电池的实际容量要比电池的理论容量要低，可以通过以下方程计算：

式中，I是电池放电（或充电）时的电流。

1.4.3 电池的能量

电池在特定条件下对外界所做的电功叫作电池的能量，可以通过以下方程式计算：

式中，能量密度V又可以分为体积能量密度（W·h/L）和质量能量密度（W·h/kg）。

谈到电池的容量和能量时，必须指出放电电流的大小或者放电条件。通常放电条件可以分为恒电流放电和倍率放电两种。恒电流放电，顾名思义就是以恒定的电流进行放电。倍率放电是指电池在规定时间内放出其额定容量的电流值，数值等于额定容量的倍数。

例如在2C下放电，则n=0.5，即在0.5h内将全部容量放完。

1.4.4 电池的功率

电池的功率是指特定条件下单位时间内的电池对外所做的电功，可以通过以下方程式计算：

式中，电池的功率密度V可以分为单位质量的输出功率（W/kg）和单位体积的输出功率（W/L）。

1.4.5 库仑效率（电流效率）

电池的库仑效率（CE）等于电池的放电容量除以电池的充电容量，即

1.4.6 电池的寿命以及自放电与储存性能

二次电池的寿命是指在一定的充放电循环之后，电池的容量下降到其初始容量的80%以下，该循环次数称为电池的寿命。其中造成电池容量下降的主要因素包括：充放电过程中，活性物质颗粒增大，比表面积减小，导致电流密度上升，极化增大；活性材料与集流体接触不好甚至脱落，导致实际可利用的活性物质减少；电极上发生副反应。

除了充放电循环会导致电池容量的下降，在开路条件下电池容量也会因为正极的自放电与负极腐蚀而下降。通常来讲，镍镉电池和镍氢电池的自放电比较明显，而铅酸电池和锂离子电池的自放电则相对缓慢。