什么是电池？真正的电池包含哪些？Nature系列评论文章最新阐述！

【工作介绍】  

“电池”一词的广泛使用，使得人们对其真正定义产生误解。该词已深深嵌入科学和公共话语，被用于描述从便携电子、电动汽车到电网储能的各种技术。但除传统电化学含义外，它正被应用于根本不同的系统，如“热电池”和“量子电池”。这种宽泛用法虽提高可及性和公众认知，却引发科学精确性与一致性问题。科学定义随知识进步而演变，但对建立跨学科共同语言、交流概念机制性能并传承给未来研究者仍至关重要。随着储能技术多样性扩展，“电池”的日益宽泛使用可能模糊电化学电池与其他储能技术在基本物理原理、运行机制和性能指标上的区别。

（1）“电池”一词应保持为科学定义的电化学概念，还是应演变为涵盖根本不同储能技术的更广泛标签？ 

（2）“电池”一词日益宽泛的使用是否阻碍了清晰的科学交流及跨学科比较？

（3）一个系统应满足哪些基本标准才能被视为“电池”？

在此，格勒诺布尔阿尔卑斯大学Claire Villevieille教授，德国布伦瑞克工业大学Petr Novák教授和瑞士洛桑联邦理工学院Hubert H. Girault教授等人通过提出基于基本电化学原理的电池操作性定义来回答这些问题，随后作者将该框架应用于代表性储能技术，并讨论其对科学交流和术语一致性的启示。

相关研究成果以“Your battery may not be a battery”为题发表在Nature Nanotechnology上。

一、什么是电池？

国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）目前未在其《金皮书》中对“电池”一词提供正式定义。相反，它严格地将电化学电池（EC）定义为“由至少两个电子导体（电极）与离子导体（电解质）接触组成的系统”，而电池仅作为电化学电池的示例被提及，并未被定义为独立术语。IUPAC材料化学教育网站采用了电池的实用教育定义，表明尽管缺乏官方术语建议，该概念仍被广泛使用。国际电工委员会（IEC）通过国际电工词汇将电池定义为“一个或多个（电化学）电池，配有使用所需的装置，例如外壳、端子、标记和保护装置”。《电池手册》提供了更广泛的工程描述，将电池描述为一个或多个电化学电池电气连接以提供所需工作电位和电流水平的系统。

尽管这些定义描述了电池的架构，但它们并未明确识别将电池与其他电化学能量转换或储能装置区分开的电化学过程。相比之下，IUPAC为基本电化学概念（包括氧化和还原）提供了严格定义，这些定义构成了本文在此提出的定义的基础。氧化涉及失去电子（电子通过外部电路并在负载处做功），而还原（或电子化）涉及获得电子（从负载返回）。电极处氧化还原过程产生的电流涉及耦合的离子–电子转移反应，被称为法拉第电流。后者被IUPAC定义为“由电活性物质的电氧化或电还原产生的电流”。这些法拉第过程构成了电池储存和释放电能的基本机制，尽管IUPAC并未明确说明这一点。当外部电路中的电子从一个电极移动到另一个电极时，观察到的电流方向相反。因此，在电池放电期间（释放电能时），负电极发生氧化，正电极发生还原。而在充电期间，正电极发生氧化，负电极发生还原。

任何电池单元要发挥作用，必须满足三项结构要求。

第一，电极必须通过电子绝缘层物理隔开（在含液体电解质的电池中，该层为惰性多孔隔膜；在全固态电池中，固态电解质（有机或无机）充当隔膜，既是电子绝缘体又是离子导体）。

第二，电极必须通过能够传输离子物种但不参与氧化还原反应的电解质（例如非水液体溶液或固态离子导体）实现离子连接。

第三，电极必须通过外部电路物理连接以使氧化还原反应发生。

此外，电池单元是一个封闭电化学系统，其中电荷储存和释放所需的电活性物种（即反应物）保持物理限域。电池还被分类为可充电（二次）或不可充电（一次）。电池单元的示意图如图1所示，用于定义电池的五项操作标准总结于表1。

图1.可充电电池电芯的结构与工作原理示意图。

表1.定义电池的五项操作标准

哪些储能系统是电池？

在确立电池的工作定义后，可将各类储能系统按是否依赖电化学法拉第反应、反应物是否限域及是否封闭来分类。

可充电电化学储能装置中，铅酸、金属及金属离子、卤素离子和氧化还原液流系统均满足电池标准，但以石墨为负极的商用锂离子电池因石墨主要起锂离子体积电容器作用、内部不发生储能相关氧化还原反应，按IUPAC电极定义不应正式视为电化学电池。

电容器和超级电容器依靠非法拉第机制储能，虽在界面表现为电容行为，但不属于电池。赝电容器虽有表面限域法拉第过程，仍表现电容行为。锂离子电容器等电池–电容器混合装置两电极均非法拉第机制，不能归为电池。燃料电池反应物外部供应、系统开放，不完全符合电池资格。金属||空气电池等电池–燃料电池混合装置因气态活性物种与环境交换、不满足限域标准，被归为混合装置。传统“热电池”含氧化剂和还原剂、通过氧化还原反应运行且为封闭系统，符合电池标准，而仅储热、需涡轮发电机等中间组件才能发电的热能储存系统不属于电池。结构电池同时承载机械载荷并在电极中储存电化学能量，满足全部标准。核电池、量子电池和机械电池虽输出电能，但不依赖电化学反应，不符合电池定义。

因此，电池资格的核心在于电化学氧化还原储能、离子–电子耦合传输、反应物限域和封闭运行，而非是否输出电能或名称中是否含“电池”。

表2.基于本文提出的电池运行定义，对代表性储能系统进行分类。

【文献信息】

综上所述，作者希望能激发电化学与储能界关于是否应重新审视“电池”一词当前定义和用法的讨论，以反映当代储能技术日益增长的多样性。随着该领域持续快速演变，一个清晰且基于机制的定义将促进跨学科交流、提高科学报告的一致性，并有助于将基本概念和最佳实践传递给未来几代研究者。不精确的术语可能阻碍科学交流、使研究间比较复杂化，并在新概念涌现时造成不必要的模糊。科学写作受益于无歧义、精确且与国际标准一致的语言，确保新发现以准确反映其底层机制的方式被描述。

归根结底，定义何为电池不仅仅是术语练习，更是使电化学语言与其试图描述的机制相对齐的机会。随着电化学储能技术持续多样化，一个共享且基于机制的词汇体系对于交流发现、跨学科比较概念和指导未来创新将日益重要。最终，就“电池”的含义达成共识，不仅仅是选择正确的词，而是确保我们的科学语言反映科学本身。

【文献信息】

Claire Villevieille, Petr Novák & Hubert H. Girault. Your battery may not be a battery. Nature Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-026-02296-w

文章来源：能源学人