更新时间：2023-02-20 22:33
动力电池（Power Battery）是指为电动汽车、电动物流车、工业用以及医疗用电动设备、便携式电子设备等工具提供动力的蓄电池。其通常由电极、电解质（液）、隔膜和外壳组成。
动力电池可以分为物理、化学以及生物电池，其中化学电池应用最为广泛，根据不同电池的不同特点可以分别将其应用在交通、军事、民用电子设备等不同的领域中，电池的主要充放电原理是利用内部的氧化还原反应来完成电能和化学能的相互转化，随着电池长期的循环充放电，其容量会不断地衰减，在其容量衰减为80%时即认为电池一次寿命达到了终结，需要进行梯次利用或报废回收以获得更高的经济效益以及社会效益。
为了解决气候变化和能源危机的问题，动力电池已经得到了充分且广泛的研究，但其仍面临着能量密度、寿命、安全性、低温性能、成本等特点不可兼得的问题，未来动力电池的发展方向将会是新一代的锂空气电池、锂硫电池以及全固态电池等。
1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）发明出了由锌板和银板夹浸透盐水的湿纸组成的电堆，即“伏打电堆”，这是电池的雏形。
1859年，法国物理学家阿斯顿普兰特（French Aston Plante）发明出了第一代动力电池——铅蓄电池，它的主要优点是优秀的大功率放电能力，并且其原材料资源丰富，电池回收率高且成本较低，但其存在的主要问题是比能量较低（30Wh/kg），同样质量下可供给的能量较少，且铅有污染。
1899年，瑞典学者瓦尔德玛·荣格纳（Waldemar Jungner）发明出了镍镉电池（阴极为、阳极为镉、液体电解质），“记忆”现象是这种电池最大的缺点，未用完电量就充电会导致下次充满电量降低。
1989年，美国著名发明家Stanford Ovshinsky（斯坦福·欧弗辛斯基）在梅赛德斯-奔驰集团和德国大众的赞助下，开发出来第一款商业镍氢电池（阴极为氢氧化镍，阳极为储氢合金），其比能量更高且污染低，没有记忆效应，应用在早期的丰田汽车Prius混动车上。
1990年，日本索尼正式推出天然石墨材料为负极、含锂化合物为正极的商业化锂离子电池，其有着更高的比能量并能通过更改配方适应不同环境，是得到最广泛应用的动力电池。
20世纪90年代初，德国科学家罗杰·比林斯（Roger Billings）首次发明出了可以应用于汽车的氢燃料电池，随后在1994年奔驰生产处理第一代应用质子交换膜燃料电池的燃料电池汽车NECAR1，自此燃料电池正式进入车企以及社会大众的视野，得到了科研界和工业界的更加广泛的关注。
2015年12月12日全球197个国家在巴黎召开的缔约方会议第二十一届会议上通过了《巴黎协定》，旨在限制温室气体的排放，各国陆续推出“碳中和”的计划和目标，动力电池越来越多的应用到fcv、储能电网等场景中，得到了学术界和工业界越来越广泛的关注。
正极和负极都可以称为电极，是电池最核心的两大组成部分。电极通常由电极活性材料、集流体、黏结剂和导电剂组成，其中活性电极材料是最核心的部分。
活性电极材料：在电池充电或放电过程中，电极活性材料得到或者失去电子，直接参与氧化、还原反应的发生，用以储存或释放电能，是电池工作的本质，电极活性材料决定着电池的基本特性，为了满足电池工作的需要，应满足以下条件：
集流体：放电时将电化学反应所产生的电流汇集起来输出至外电路，充电时将电极电流输入给电极活性材料，从而优化电能和化学能的相互转化，要求其有着较高的电导率、电化学稳定性和机械强度。
导电剂：优化电极活性物质的电子导电性，提高电池的高倍率工作能力。
黏结剂：黏结剂用来将上述物质粘合在一起，避免不同物质之间的分层，降低动力电池的性能和寿命。
电解质（液）是离子导体，主要完成电池内部离子传输的任务，形成离子电流，与外电路组合形成完整的电流回路从而在放电时向外输出电能。
电解质（液）需要有着良好的离子导电性形成离子电流，但不能具有电子导电性防止正负极的直接导通。还需要有着较好的化学稳定性和热稳定性。
传统的电解液分为水系电解液和有机电解液，水溶液的物理化学性质已经得到了广泛的研究，但由于其理论分解电压只1.23V，水系电解液的动力电池电压最高仅为2V（铅酸电池），因此在高能量密度的电池体系中一般采用有机电解液体系或者固体电解质体系。
特别地，燃料电池采用固体电解质隔膜，将电解质与隔膜制成一体，直接承担隔离燃料和氧化剂以及传导离子的作用。
为了避免电池内部正极与负极直接接触造成内部短路，需要通过隔膜将正极片与负极片隔开，隔膜通常浸在电解液中。固态电池通常不需要隔膜，通过专门的固体电解质膜同时完成隔膜和电解质的任务。隔膜材料通常需要满足以下要求：
外壳的主要作用是作为电池的容器，保护电池内部材料，由于动力电池在实际应用时经常会受到外部压力的作用，需要通过外壳增加电池机械强度，避免电池内部材料的变形（尤其是隔膜，刚度最低），影响电池的安全和寿命，通常选用优质铝材作为电池外壳材料。
以典型的镍镉电池（溶解沉淀机理）、锂离子电池（浓差驱动型）以及燃料电池（单向反应）为例，说明动力电池的工作原理。
镍铬电池的正极材料为氢氧化亚镍，负极材料为氧化镉。
在电池外加电源进行充电时，正极活性材料中的通过失去一个电子转化为三价的，该电子通过集流体和外电路向负极转移，同时与电解液中的结合形成。负极的反应机理为溶解-沉淀机理，正极失去的电子转移到负极，将二价的镉离子还原成镉金属在负极沉淀。
外接负载进行放电时，发生的电化学反应则正好相反，负极的镉金属失去电子被氧化，正极的三价镍离子得到电子被还原，电子在外电路从负极向正极移动，从而形成从正极到负极的电流。
电池反应方程式如下所示（向右为放电）：
正极：
负极：
总反应：
锂离子电池，其本质是一种浓差电池，又被称为“摇椅式电池”，当电池充电时，外部施加的电压使正极中的锂离子脱嵌，经过电解液穿过隔膜流向并嵌入负极，同时为了保持电中性，正极的电子也经过外电路流向负极，随着锂离子不断从正极材料中脱嵌，又嵌入负极，正极电势不断升高，负极电位不断降低，导致电池电压（正极电位减去负极电位）不断升高直至达到充电截止电压。
当电池施加外部负载进行放电时，由于正、负极之间的电压，锂离子从负极脱嵌，经过电解液通过隔膜又流向并嵌入正极，随锂离子的脱出负极电位逐渐增加，正极电位不断降低，使电池电压不断降低，负极电子也经过外电路流向正极，直至达到放电截止电压，对于正极材料为钴酸锂，负极材料为石墨的锂离子电池，反应方程式如下（向右为充电）：
正极反应：
负极反应：
总反应：
与镍镉、锂离子等电池不同，燃料电池仅能够将化学能转化为电能，可以看做能量转换装置，而前者则能够完成化学能和电能的互相转化。燃料电池的主要组成部分为燃料和氧化剂，以氢氧燃料电池为例，在需要燃料电池进行放电时，氢气作为燃料被不断的运送到负极，在负极催化剂的作用下发生氧化反应，失去两个电子，生成氢离子，通过酸性电解质从负极转移到正极，电子则经过集流体、外电路也从负极移动到正极，正极的氧气在催化剂的作用下得到电子，发生还原反应，并与从电解质中传递过来的结合生成水，由于两个电极反应的电势不同，从而在正负两极间形成电压，向负载释放能量。放电反应方程式如下：
负极：
正极：
总反应：
工作电压：指电池在外接负载进行放电时的实际电压，即电池电动势减去电池内阻引起的压降。由于该电压随电池的放电而降低，通常指一个电压范围。例如，锂离子电池为2.7-3.6V，镍氢电池为1.1-1.5V。
其中，U为工作电压，E为电池电动势，I为放电电流，R为电池内阻。
充放电截止电压：充电截止电压是指外电路直流电对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内，例如，锂离子电池的充电截止电压为4.1-1.2V。铅酸蓄电池的充电截止电压为2.25-2.5V。
放电截止电压指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。例如，铅酸蓄电池放电终止电压为1.5-1.8V。
电池内阻：电池内阻是指电池的内部电阻，包括电极板的电阻，电解液、隔板和连接体的电阻等，内阻的单位为Ω（欧姆）。
容量：指电池从满电到空电所能释放出的电量，一般用Q表示，单位为库伦（C）或安·时（A·h），即电流与时间的乘积，电池所能放出的容量也会随着工况而变化。
能量密度：包括体积能量密度和质量能量密度，分别对应单位体积和单位质量电池所能输出的电能，单位为W·h/L和W·h/kg，能量密度是电池最重要的技术参数，动力电池的能量密度越高，新能源汽车的载质量和车内的空间就越大。
比功率：指动力电池单位质量所能输出的功率，单位为W/kg，决定了其瞬时做功的能力，对于电动汽车，一定体积（质量）电池，比功率越大，汽车爬坡和加速能力越强。
荷电状态（State Of Charge，SOC）：指电池中剩余电量（）与电池满电最大电量（）的比值，用百分比表示，常见的手机、电脑、电车的剩余电量百分比即为此值。
健康状态（State Of Health，SOH）：指电池经过一定次数的循环老化后，其目前可用最大电量（）与电池刚出厂时最大电量（）的比值，表征了电池容量的衰减情况。
按照电池的反应原理可将电池分为化学电池、物理电池、生物电池。
一次电池也可以叫做“原电池”，由于一次电池放电时发生的电化学反应是不可逆的（或仅在极端条件下反应可逆），其只能进行一次放电，放电后不能循环充电、只能废弃回收。常见的一次电池包括锌锰干电池、锌汞电池以及银锌电池。
二次电池是应用最为广泛且最常见的动力电池，也叫作“蓄电池”，在充放电过程中其发生的电化学反应是可逆的，因此在一次放电后可以通过再充电的方法使电池内部的活性物质复原从而能够再次放电，实际上是一个化学能量储存装置，能够完成电能与化学能之间无数次的相互转化，铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锌空气电池以及锂离子电池都是二次电池。
储备电池也可以称为“激活电池”，电池不放电时，正、负极活性物质与电解液不会直接接触，仅在需要电池放电时临时注入电解液来激活电池，由于与电极液的分离，储备电池不会发生电极活性物质的化学分解或是自放电，因此其日历寿命较长。常用的储备电池包括镁银电池、钙热电池以及铅高氯酸电池，应急照明灯中通常用的就是储备电池。
燃料电池的特点是电池本身仅仅作为一个载体，在需要电能时通过不断地将活性物质注入电池，就可以连续的向外部负载进行放电，因此也被称为“连续电池”，氢燃料电池无论在学术界还是工业界都是很火热的一个研究方向。
利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，太阳能电池通过利用半导体PN结的光生伏特效应来完成太阳能向电能的转化，作为一种可再生能源备受关注。飞轮通过一个转动惯量很大的盘形零件来进行能量的储存。超级电容器通过电极与电解质之间形成的界面双层来储存容量，其大电流放电能力强。
生物电池利用是指利用生物化学反应来发电的电池，如微生物电池、酶电池以及生物太阳电池等。
下表对于常用动力电池的技术参数进行了对比：
当干电池经过一次完整放电、蓄电池最大可用容量降低为原容量的80%时，通常认为动力电池达到了其寿命的终结，应该被废弃，而电池的随意丢弃会对生态环境甚至人体造成严重的危害，不同材料的动力电池构成不同，其对环境、人体的危害也不同。电池中的有毒物质不仅会使土地、饮用水失去利用价值，被生物吸收后，也会经过食物链影响人体的健康，铅酸电池中的铅被人体摄入后会出现爆发性腹痛、厌食、消化不良等现象，镍镉电池中的镉会使人骨质软化、瘫痪，电池中为防止电池电解液泄露、增加电池寿命所添加的汞化合物影响人体组织和血红细胞，引发甲基汞中毒等神经性疾病。
随着国内化工、机械、制造业的快速发展，对各种重金属的需求量也越来越大，废旧电池的回收不仅能够降低环境污染，保护人体健康，回收获得的重金属还能等效降低电池的成本，减少矿石的开采量，节约资源，有着极大的经济和社会意义。
动力电池在回收前需要先进行拆解，拆解过程应保证安全、环保以及拆解后的可再使用性。拆解流程为：物理测量以及标签信息解读——抽排冷却液——绝缘处理——拆除附属件——放电处理。拆解完成后，就可以根据电池的不同类型选取不同的回收方式来获得想要的回收物。例如，锂离子电池可以通过火法回收（高温焚烧）的方法来分解去除有机黏结剂，将电池中的金属及其化合物氧化、还原并分解，当其以蒸气形式挥发后，通过冷凝的方式来收集。
另一方面，蓄电池一次寿命的终结并不意味着电池不再能够循环充放电，而是电池的输出功率相对降低，难以满足瞬时大功率的使用要求，但还可以应用于其它温和的使用场景，因此可以通过电池的梯次利用来获得最长的电池工作寿命以及最高的经济效益，电池生产——电车电池——储能电池——备用电池——拆解回收。
随着国家双碳政策的颁布，交通领域迫切需要实现从燃油+内燃机向电池+电机的转型，电池是fcv最核心的组件，电动汽车的动力电池对能量密度、功率密度、寿命、可靠性、成本都有着较高的要求，在电动汽车领域应用较为广泛的电池是锂离子电池，尤其是磷酸铁锂和三元系的锂离子电池。另一方面，能量效率高、环境友好的燃料电池也备受学术界和工业界的关注，即将走入电动汽车的赛道。铅酸电池则作为技术最为成熟的蓄电池，有着安全性高、成本低、大倍率放电能力强的优点，广泛应用于电动自行车、电动摩托车等领域。
军事装备的能量密度、续航时间、体积和重量是影响军队作战能力的重要因素，锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、低温性能好、使用可靠、维护成本低、充电快、大电流放电时间长等优点，是军事领域电源的首选，应用于陆地（单兵系统、陆军战车）、海洋（水下机器人、潜艇）、空中（无人机）等诸多军事领域。
民用电子设备电源的对成本的关注较高，技术相对成熟的铅酸蓄电池，主要用于邮电、通信、发电厂和变电所开关控制设备以及计算机备用电源中，镍氢电池则广泛应用于专业电子设备、照明、无绳家电、便携式打印机、移动数码产品、远程通信设备、激光器仪器以及电动玩具消费电子中。
气候变化以及能源危机是目前全球都面临着的主要问题，要解决这一问题，需要国际合作，使各国都向着低碳经济转型，全球数百个国家签订的《巴黎协定》旨在大幅减少全球温室气体排放，需要各国完成“碳中和”的目标，而这少不了动力电池的参与。
欧洲委员会于2018年5月发布的《电池战略行动计划》提出了一项电池技术未来十年的长期研究计划——“电池 2030+”。其愿景是发明未来的电池，为欧洲工业创造颠覆性技术和整个价值链的竞争优势。BATTERY 2030+将通过跨学科研究方法，利用人工智慧、机器人技术、传感器和智能系统等先进技术，追求超高性能、可靠、安全、可持续和价格合理的电池。
中国是目前动力电池产销量最高的国家之一，动力电池市场还在逐年扩大。新能源汽车行业是带动动力电池快速发展的最大引擎。尽管在国家政策和补助的推动下，动力电池行业已经得到了飞速的发展，电池性能得到了很大的加强，但仍面临着数个关键技术难题。高镍三元系锂离子电池使得电池的能量密度大幅度提升（250-300Wh/kg），但仍难以达到《节能与新能源汽车技术路线图》中2030年动力电池的能量密度目标——500Wh/kg，并且高镍所带来的低安全性也其实际应用带来了隐患，其较差的低温性能也一直为人所诟病。备受关注的燃料电池也面临着高成本、低寿命以及氢能来源等问题。
在未来，超高能量密度的锂空气电池（1700Wh/kg）、锂硫电池（2600Wh/kg），高安全性的全固态电池将会是新的研究热点，在科研界解决其关键问题（锂空气电池的反应催化、电极失活，锂硫电池较差的导电和导锂，全固态电池的低电导率后），将会得到工业界更广泛的关注。