本发明提供了用于精确表征电极和电化学能量存储和转换系统的热力学和材料特性的系统和方法。本发明的系统和方法能够同时收集一套表征多个相互有联系的涉及电极反应进行状态、电压和温度的电化学和热力学参数。由结合了反映电极条件已热力学稳定化的测量条件的本发明方法和系统所提供的提高的灵敏度，可以实现对热力学参数非常精确的测量，这些热力学参数包括电极/电化学电池反应的诸如吉布斯自由能、焓和熵之类的状态函数，从而使得能够预测电极材料和电化学系统的重要性能品质，诸如电化学电池的能量、功率密度、电流速度和循环寿命。