《Journal of Energy Storage》：Energy storage for power applications: Volumetric comparison of commercial 18650 storage technologies
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本文呈现了一项基于实验的商用能量存储设备体积基准比较，研究对象为采用或接近标准18650格式的产品。研究样本包括商用锂离子电池（LIB）、钠离子电池（SIB）、混合超级电容器（HSC）和电双层电容器（EDLC），所选器件代表功率-能量谱系中的不同区域。通过采用
本文呈现了一项基于实验的商用能量存储设备体积基准比较，研究对象为采用或接近标准18650格式的产品。研究样本包括商用锂离子电池（LIB）、钠离子电池（SIB）、混合超级电容器（HSC）和电双层电容器（EDLC），所选器件代表功率-能量谱系中的不同区域。通过采用统一的实验流程，该研究识别了这些具有代表性的18650格式器件在器件层面的优势与局限，并提供了一项直接测量的跨技术基准。实验方案结合了宽温度范围内的电化学阻抗谱（EIS）测试与高倍率循环测试，以评估动态性能和热稳定性。在所研究的器件和测试条件下，没有任何一种方案在所有指标上全面占优；相反，被测器件表现出与不同应用需求相关的差异化权衡特性。为支持透明性和可复现性，完整数据集已在IEEE Data Port上开放获取，DOI: 10.21227/j87p-7n21。
**论文解读：商用18650储能技术的体积基准比较研究**
**一、研究背景与意义**
能量存储（ES）系统在电力电子领域的重要性日益凸显。一个高性能的储能系统需要同时具备高功率密度、高能量密度、低成本、高充电效率、低自放电率、长使用寿命以及环境可持续性等关键特性。然而，如何准确估算和比较这些特性是一项复杂的任务。现有文献中虽然存在大量基于定性比较的综述论文，但这些研究往往依赖来自不同来源的聚合数据而非直接的实验证据。由于储能技术迭代迅速，这种数据来源的异构性可能导致比较结果相互矛盾或信息过时。此外，推导这些估计值所采用的方法学并不总是透明的，使得评估比较的公平性变得困难。
为弥合这一研究空白，本论文提出了一项系统性的实验基准研究，对选定的商用储能器件在共同体积约束下进行直接对比。研究选取了采用或接近18650工业标准格式的商用圆柱形电芯，通过约束封装体积来评估器件级别的体积性能，从而最大限度减少几何偏差带来的影响。18650封装是应用最广泛的行业标准之一，在可靠性和性能之间提供了经过验证的平衡，其应用领域涵盖从汽车（如特斯拉Model S）到急救医疗设备（如除颤器）的广泛场景。
本研究比较的技术包括锂镍锰钴氧化物（NMC）电池、磷酸铁锂（LFP）电池、钠离子电池（SIB）、混合超级电容器（HSC）和电双层电容器（EDLC）。根据国际能源署的数据，NMC和LFP技术合计占全球市场份额的90%以上，其中LFP因其成本效益和安全性而日益受到青睐，而NMC仍是高能量密度应用的首选。SIB作为新兴替代技术被纳入比较，受钠资源丰富和安全性能优越的驱动，其市场预计到2030年将增长25%。此外，为拓宽功率-能量谱系的覆盖范围，研究还纳入了EDLC和HSC器件，它们在能量型电池和功率型电容器之间架起了桥梁。
**二、主要技术方法**
研究人员构建了一套高精度的实验平台，核心设备包括16通道Arbin电池测试系统（24位分辨率、100 Hz采集率、±0.02%满量程精度、5 V/30 A通道限制）、Gamry Interface 5000E恒电位仪/恒电流仪（频率扫描范围10 μHz至100 kHz）以及WeissTechnik气候室（精确控制环境温度）。实验前，研究人员对每个产品族的五个单元进行了初步验证，确认容量偏差低于1%、内阻偏差低于3.5%后，选取单个代表性单元进行完整表征。
实验方案包含三项主要测试：测试A为电化学阻抗谱（EIS）测量，在-10 °C至50 °C的温度范围内，采用50 mHz至50 kHz的频率扫描，每十倍频程10个对数间隔点，正弦电流扰动幅度为200 mA；测试B为高倍率充放电循环测试，连续监测电芯温度，以评估系统效率和功率能力；测试C为自放电评估，依照IEC 62660-1标准，将电芯充电至100%荷电状态（SoC）后监测200天的能量保持情况。
**三、研究结果**
**3.1 电化学阻抗谱分析**
Nyquist图显示，温度对整体阻抗具有显著影响。随着温度从-10 °C升至50 °C，所有技术的阻抗谱均向更低实部阻抗方向移动，且中频半圆弧显著收缩，反映了欧姆电阻（R
s）的降低和电荷转移电阻（R
ct）的改善。EDLC和HSC的欧姆电阻最低（低于1.5 mΩ），而LIB和SIB的R
s值在3.0至4.5 mΩ之间。电荷转移电阻对温度表现出更为剧烈的Arrhenius型敏感性：LFP在-10 °C时R
ct峰值约135 mΩ，NMC约100-110 mΩ；而HSC2保持在约75 mΩ，展现出更好的低温动力学特性。SIB在中高温区间（10 °C-40 °C）的R
ct持续高于LIB和HSC，表明钠离子嵌入动力学相对迟缓。
**3.2 充放电效率测试**
充电测试采用各器件最大额定电流。NMC2虽然充电速度快（588 s），但温升高达14 °C，加热速率达1.43 °C/min，表明需要有效的热管理。EDLC在10 A大电流下温升仅约0.6 °C，验证了其极低内阻带来的优异热特性。在体积能量密度方面，NMC电池达到315-344 Wh/L，SIB为299 Wh/L，LFP为49 Wh/L，HSC约为84-90 Wh/L，EDLC仅约6.2-6.3 Wh/L。
放电测试采用20 A统一高电流（SIB因安全限制采用4.5 A）。NMC电池可维持该负载超过400 s，释放能量约6.6 Wh，体积能量密度达373-399 Wh/L；LFP和SIB分别为205 Wh/L和224 Wh/L；HSC约61 Wh/L；EDLC低于6 Wh/L。NMC2在放电过程中出现严重的温升（约38.9 °C），而EDLC在20 A放电时温升接近零。
**3.3 自放电评估**
经过200天储存，LIB电池表现出最高的电压稳定性，NMC1和NMC2的日均衰减率仅0.02-0.03 mV/天。HSC居中（0.10-0.19 mV/天）。EDLC自放电最严重，日均衰减达0.61-0.66 mV/天，总压降约134-150 mV。
**四、综合评估与讨论**
Ragone图显示锂电池占据高能量区域，EDLC和HSC偏向高功率低能量域，SIB居中但功率能力受限。成本方面，LFP和SIB具有显著经济优势。在-10 °C下，EDLC和HSC保持极低电阻，而SIB在此温度下不可运行。
研究结论表明，电荷转移电阻是低温下电池性能的主要限制因素。高功率NMC电芯虽能承受20 A放电，但热效率差（ΔT≈39 °C），需要主动冷却；能量型NMC电芯则提供了更好的平衡。SIB虽然在安全性和成本方面有前景，但目前功率密度和低温行为仍逊于成熟的LIB技术。EDLC确认了其作为纯高功率脉冲应用的理想选择，具有绝热行为，但能量密度低。LFP在成本、安全性和能量能力间提供了良好的折衷。HSC作为电池和传统超级电容器之间的桥梁，适用于快速充放电和脉冲功率支持场景，但单位成本较高。
**五、研究结论翻译**
本研究对共享相同体积标准（18650格式）的商用储能技术（LIB、SIB、HSC和EDLC）进行了全面的实验比较。实验涵盖不同温度下的电化学阻抗谱和高倍率循环测试，得出以下关键结论：EIS分析确定电荷转移电阻R
ct是低温下的主要限制因素；高电流测试揭示了功率能力与热稳定性之间的权衡关系；新兴SIB技术在功率密度方面目前存在局限，而EDLC确认了其作为纯高功率脉冲应用的理想解决方案地位。从应用导向的角度看，每种技术都最适合特定的运行场景：NMC电池适合需要高体积能量密度的能量型应用，但大电流下热管理至关重要；LFP电池在成本、安全性和能量能力间提供有利折衷；所研究的SIB电池适用于成本敏感和可持续性导向的应用，但其当前的功率能力和低温表现仍不及成熟的LIB技术；HSC适合需要快速充放电和脉冲功率支持的应用；EDLC则是超高功率短时瞬态和峰值功率缓冲的首选方案，但不适合长期储能。
