技术区别非常直观：充电容量效率（通常称为库仑效率）比较的是放电期间回收的电荷量与充电期间输入的电荷量。能量效率比较的是放电期间回收的能量与充电时所需的电能，因此它还考虑了电压损耗、内阻、极化和副反应。
库仑效率衡量的是回收了多少安时（Ah）；能量效率衡量的是回收了多少瓦时（Wh）。 电池可能具有很高的库仑效率，但由于充放电电压水平不同，仍会损失大量能量。
各项效率指标的衡量内容
充电容量效率
库仑效率的计算公式为：
[ \eta_Q = \frac{Q_{\text{discharge}}}{Q_{\text{charge}}} \times 100% ]
其中，(Q) 是电流对时间的积分，单位为安时或库仑。
低于 100% 的数值表明部分电荷被不可逆过程消耗，例如寄生副反应、活性物质损失或电荷回收不完全。
能量效率
能量效率的计算公式为：
[ \eta_E = \frac{E_{\text{discharge}}}{E_{\text{charge}}} \times 100% ]
电能是通过对电压与电流的乘积进行时间积分获得的：
[ E = \int V(t)I(t),dt ]
该指标同时涵盖了电荷损失和与电压相关的损耗。因此，在实际的可充电电池中，能量效率通常低于库仑效率。
指标为何会产生差异
电荷守恒但电压损失
电池返回的安时数可能与充电时接收的几乎相同。然而，如果其放电时的平均电压低于充电电压，回收的瓦时数仍然会较低。
这就是为什么高库仑效率并不一定意味着高能量效率。
内阻降低能量效率
电流流过内阻会根据电阻损耗关系产生热量，例如：
[ P_{\text{loss}} = I^2R ]
这些损耗随电流增加，并可能随温度、荷电状态（SOC）、老化程度和电池设计而变化。
副反应影响两个指标
寄生反应会消耗电荷和能量，而不会对有效的放电输出做出贡献。它们不仅直接降低库仑效率，还会导致发热、电压滞后和长期性能衰减。
实验室测试系统如何进行测量
精密电流积分测量容量
实验室电池测试仪在控制充放电电流的同时，以高分辨率记录电流和时间。
系统通过对每一步的电流进行积分来确定：
- 输入电池的充电容量
- 从电池回收的放电容量
- 库仑效率
- 循环过程中的容量衰减
对于直接容量测试，电池会被充电至预定荷电状态，然后放电至指定的截止电压。测试仪会在整个过程中对放电电流进行积分。
电压-电流积分测量能量
同一系统会在充放电过程中持续记录端电压和电流。
通过对 (V \times I) 进行时间积分，它计算出：
- 充电能量
- 放电能量
- 能量效率
- 随电流、电压和荷电状态变化的能量损耗
这使研究人员能够区分“有效存储电荷的电池”与“以最小能量损耗返回电荷的电池”。
受控协议提高可比性
测试系统可以强制执行一致的：
- 电流或功率曲线
- 充放电截止电压
- 静置时间
- 电池温度
- C-倍率
- 占空比
- 循环次数
这种控制至关重要，因为有效容量和效率会随负载电流、温度、荷电状态和衰减程度而变化。
区分有效存储与损耗
测量开路电压（OCV）
运行时的端电压包括电池的平衡电压以及由电流流动引起的动态损耗。
实验室系统可以包含受控的静置期、电流中断和专门的表征序列，以估算开路电压（OCV）。OCV 测量为评估工作电压偏离平衡状态的程度提供了参考。
评估过电位与电阻
测量的工作电压与 OCV 相关电压之间的差异反映了以下因素的影响：
- 欧姆电阻
- 电荷转移动力学
- 质量传输限制
- 极化
- 滞后现象
先进的测试系统可以分析电流变化过程中的电压响应，以评估动态内阻及相关损耗。
量化衰减机制
重复循环测试揭示了效率随电池老化而发生的变化。
库仑效率下降可能表明存在持续的寄生反应，而电压滞后或电阻的增加则可以解释为何即便容量保持相对稳定，能量效率仍会出现较大降幅。
将指标应用于电池表征
材料与电极开发
库仑效率有助于研究人员识别不可逆反应，并评估新型活性材料或电极配方是否支持可逆循环。
能量效率增加了关于极化、电阻和电压利用率的信息，在优化可用能量输出时更具参考价值。
电池组装优化
电极负载、隔膜选择、化成工艺或组装压力的变化都会影响容量保持率和内阻。
多通道测试系统允许在相同协议下评估多种设计，从而更容易将材料影响与测试变异性区分开来。
应用与占空比测试
标准容量测试测量的是定义条件下的行为，但实际产品通常在变化的负载和占空比下运行。
应用测试采用模拟的使用模式和截止条件，以确定电池在其预期的运行曲线下是否能维持有效的能量输送。
理解权衡因素
容量效率并非完整的性能衡量指标
库仑效率对于跟踪可逆性和长期衰减非常有价值，但它无法捕捉充放电过程中的全部电压损耗。
仅使用它可能会高估电池的实际能量性能。
能量效率高度依赖于测试条件
能量效率随电流、温度、截止电压、静置时间和荷电状态窗口的变化而变化。
除非明确定义了这些条件和积分方法，否则不同实验室的结果无法直接比较。
OCV 在主动运行期间无法直接观测
电流流动时记录的电压是端电压，而非纯 OCV。OCV 必须使用适当的基于静置或模型的程序进行估算，因此对于声称测试仪能直接分离 OCV 和所有过电位的说法应谨慎对待。
容量测试与应用测试回答的问题不同
恒流容量测试确定电池在特定条件下能提供多少电荷。
应用测试确定电池在实际负载曲线下的表现如何；两者不能完全相互替代。
为您的目标做出正确的选择
在评估电池时应同时使用这两个指标，因为它们描述了电化学性能的不同方面。
- 如果您的主要目标是可逆电荷存储： 在受控电流、温度和截止条件下，优先考虑库仑效率和容量保持率。
- 如果您的主要目标是可用能量或系统运行时间： 优先考虑预期占空比下的能量效率、电压曲线、电阻增长和损耗。
- 如果您的主要目标是衰减分析： 使用高精度的充放电积分进行长期循环测试，将库仑效率的变化与容量衰减和副反应联系起来。
- 如果您的主要目标是产品级行为： 将标准化容量测试与特定应用的负载曲线和截止电压相结合。
- 如果您的主要目标是材料或电池设计优化： 使用多通道测试，在相同协议下比较电极配方、结构变化和组装参数。
理解这两种效率，不仅能让您确定电池存储了多少电荷，还能确定它能可靠地提供多少有效能量。
总结表：
| 指标 | 定义 | 公式 | 关键见解 |
|---|---|---|---|
| 充电容量效率（库仑效率） | 放电电荷与充电电荷之比 | (\eta_Q = Q_{\text{disch}} / Q_{\text{chg}} \times 100%) | 衡量电荷可逆性；忽略电压损耗 |
| 能量效率 | 放电能量与充电能量之比 | (\eta_E = E_{\text{disch}} / E_{\text{chg}} \times 100%) | 考虑电压和电阻损耗；低于库仑效率 |
实验室测试系统通过以下方式提供帮助：对电流进行积分以计算容量，对电压*电流进行积分以计算能量，提供受控协议，估算 OCV，评估过电位/电阻，以及跟踪循环过程中的衰减。
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