了解現代電池的庫侖效率和能量效率

2025 年 8 月 5 日

陳淑儀

資深工業設計師，擁有十年產品研發設計經驗，擅長將功能性與美學完美融合，驅動產品從概念到量產的完整流程。參與多個領域工業產品的設計與優化，擁有豐富的跨領域協作與創新能力。

您需要了解電池的庫侖效率和能源效率，以便在關鍵業務應用中優化鋰電池的效率。庫侖效率衡量循環過程中保留的電量，而能源效率則考慮電壓損耗，影響可用輸出。了解細微的變化如何影響電池效能：

庫侖效率（CE）	電池循環壽命影響	容量保持
99% CE	經過幾十次循環後迅速衰減	產能損失嚴重
>99.99% CE	80 次循環後仍維持 800% 以上的容量	高能量保留

電池的庫侖效率和能量效率直接影響電池的循環壽命、成本和運作可靠性。

關鍵要點

庫侖效率衡量電池在使用過程中保持電量的程度，而能量效率則考慮電壓損失並顯示可獲得多少可用能量。
高庫侖效率和能源效率可延長電池壽命、提高可靠性並降低成本，特別是在以下關鍵應用：醫療器械和電動汽車。
您可以透過控制充電率、管理溫度、使用優質材料以及使用智慧型系統監控電池來提高電池效率。

第一部分：電池的庫侖效率和能量效率

1.1 庫侖效率

您需要了解庫侖效率才能評估電池組中鋰電池的效率。庫侖效率表示放電過程中從電池中提取的電荷與充電過程中提供的電荷之比，以安培小時 (Ah) 為單位。此指標衡量電池在不發生副反應的情況下儲存和釋放電荷的效率。

小提示: 高庫侖效率意味著您的電池因不必要的化學反應而損失的電量更少，這直接影響循環壽命和可靠性。

實驗研究使用長期循環期間的高精度電流測量驗證鋰離子電池系統中典型的庫侖效率值。這些測試表明，庫侖效率通常接近但無法達到 100%。鋰沉積、電解質分解和電極變化等副反應會造成微小但可測量的損失。例如，在較高溫度或極端充電狀態下使用電池時，由於副反應增加，庫侖效率會下降。隨著時間的推移，這些損失會累積並導致電池老化。

您可以使用幾種實驗室方法測量鋰電池效率的電化學可逆性：

恆定電流充電/放電測試
恆定電位充電/放電測試
電化學阻抗譜（EIS）
間歇滴定技術

穩定的電壓曲線這些測試中低且一致的阻抗值顯示了較高的可逆性，因此也意味著較高的庫侖效率。當您看到穩定的循環電壓曲線和最小的阻抗增長時，您的電池系統在數百次循環中都能保持其性能。

1.2 能源效率

鋰電池的能源效率衡量的是輸出可用能量與輸入能量之比，以瓦時 (Wh) 為單位。此指標考慮了內阻和極化造成的電荷損失和電壓損失。鋰電池的能源效率計算方法是將放電時釋放的能量除以充電時提供的能量。

實驗室測量透過追蹤來評估電壓損失開路電壓、電阻和放電電壓曲線。例如，您可以使用電化學阻抗譜分離並量化導致電壓下降的電阻成分。即使庫侖效率保持在較高水平，這些電壓損失也會降低總可用能量。

測量參數	產品說明	與電壓損失和能源效率的關係
容量	電池中儲存的總電量	指示儲存的能量，但不指示直接電壓損失測量
開路電壓（OCV）	無電流流動時的電池電壓，代表最大電壓	基線電壓參考，有助於識別電壓下降
抵抗力	材料阻礙電流流動的程度，導致電壓下降	直接量化影響能源效率的電壓損失
測量方法	以直流或交流方法測量電阻	提供運行期間電壓損失的定量數據

你會注意到，能量效率總是低於庫侖效率，因為它包含了電荷和電壓的損失。例如，鋰離子電池可能顯示庫侖效率高於99%但在中等充電速率下，其能源效率會下降至約 97%，並且由於內阻增加，在更高充電速率下其能源效率會進一步下降。

1.3 主要差異

您必須區分電池的庫侖效率和能源效率，才能在電池採購和管理方面做出明智的決策。下表總結了不同化學電池的主要差異和典型的電池效率值：

電池類型	庫侖效率（CE）	能源效率（％）	狀況和趨勢說明
鋰離子電池（鋰離子）	>99%（循環提高，例如，99.1%至99.9%）	充電速率為 99C 時約為 0.05%；充電速率為 97C 時降至約 0.5%；充電速率為 1C 時更低	CE 值在可充電電池中最高；受充電速率和溫度影響；特斯拉 Roadster 的能源效率約為 86%
鉛酸	〜90％	不適用	CE 低於鋰離子；隨充電速率和溫度而變化
鎳基（NiCd、NiMH）	~70-90%（取決於充電率）	不適用	快速充電~90% CE；慢速充電~70% CE；受充電狀態和溫度影響

您會發現，鋰離子電池擁有最高的庫侖效率和能源效率，使其成為工業、基礎設施和消費性電子應用的首選。相較之下，鉛酸電池和鎳基電池的效率較低，尤其是在快速充電或極端條件下。

能量源	效率類型	效率值
鋰離子電池	庫侖效率	〜99％
燃料電池	能源效率	20％60％
內燃機 (ICE)	能源效率	25％30％
GE90-115噴射發動機	能源效率

透過比較可以看出，鋰電池的庫侖效率遠遠超過其他電源，雖然能量效率仍然很高，但由於電壓損失，總是略低。

請注意： 計算鋰電池效率時，請務必同時考慮電池的庫侖效率和能源效率。高庫侖效率可確保最小的電荷損失，而高能量效率則可為您的應用提供更多可用的能量輸出。

您應該監控這兩個指標，以優化電池效能、延長循環壽命並降低營運成本。對於醫療、機器人、安防、基礎設施和工業電池組等業務關鍵型應用，這些效率決定了可靠性和總擁有成本。如果您想探索電池組的客製化解決方案，請考慮我們的 OEM/ODM諮詢服務.

第二部分：提高鋰電池效率

2.1 影響鋰電池效率的因素

您需要了解影響電池組中鋰電池效率的主要因素。這些因素會影響庫侖效率和能源效率，進而影響電池在電動車、醫療設備、機器人、安全系統、基礎設施、消費性電子產品和工業應用中的表現。

充電電流：高充電電流會縮短使用壽命並降低容量。
充電狀態 (SoC)：準確的 SoC 測量對於效率至關重要，尤其是在高溫下。
內部阻力：隨著電池使用年限和化學成分的變化而增加，從而降低性能。
電池溫度：高溫會加速電池老化和容量損失。在冰點以下充電可能會造成永久性損壞。
電池壽命：隨著電池循環和麵臨環境壓力，效率會下降。

2.2 如何提高鋰電池效率

您可以透過以下行之有效的策略來提高鋰電池的效率：

明智地使用適合您的電池類型設計的充電器進行充電並避免過度充電。
使用以下方法將電池保持在最佳溫度範圍內先進的熱管理.
優化充電和放電率以減少能量損失。
採用高能量密度電極材料，優化電解質組成。
透過改進製造和電解質配方來抑制副反應。
將電池整合到模組中以降低內部電阻。
運用智能電池管理系統 (BMS) 用於即時監控。
執行定期維護，包括清潔終端和測試容量。

電池類型	能源效率範圍	主要特性與應用
鋰離子 (Li-ion)	90-95％	效率高，用於智慧型手機、筆記型電腦、電動車
磷酸鐵鋰	95-98％	循環壽命長，用於太陽能、電動公車
LTO	85-90％	卓越的安全性、快速充電應用
鉛酸	70-85％	效率低下，備用系統
鎳氫電池	70-80％	油電混合車、家用電器