锂电池首次库伦效率全面解析

1、首效的定义

锂电池的首次效率（First Coulombic Efficiency, FCE）是衡量电池在首次充放电过程中能量转化效率的关键指标，通常定义为首次放电容量与充电容量的百分比。这一参数直接影响电池的实际可用容量、能量密度和成本。

首效=(首次放电容量/首次充电容量)*100%

核心问题：首次充电时，部分锂离子被不可逆消耗（如形成SEI膜），导致放电容量低于充电容量。

首次效率低的影响：

(1)降低电池实际可用容量和能量密度；

(2)增加电池制造成本(需通过预锂化补偿损失)

2、半电池的首效

由于负极是锂片，锂是过量的，所以放电容量小于充电容量的原因主要是由于正极材料结构的破坏，导致脱出的锂不能全部嵌入回来。

3、全电池的首效

负极一般为石墨，所有的锂都由正极提供，一部分锂离子用于在负极表面形成SEI膜，那么重新回到正极的锂离子就少了一部分。下图为磷酸铁锂软包电池的首次充放电曲线，充电阶段由化成-分容组成。

因此,全电池的首效一般都低于半电池的首效

4.首次效率低的主要原因

（1）SEI膜的形成

过程：首次充电时，电解液在负极表面分解，形成固态电解质界面膜（SEI），消耗锂离子和电解液。

不可逆容量：SEI膜的生成导致约5-20%的锂离子被永久消耗（具体数值因材料而异）。

（2）材料结构不可逆变化

负极：石墨负极首次效率约90-95%；硅基负极因体积膨胀（>300%）导致SEI反复破裂/再生，首次效率低至70-85%。
正极：部分正极材料（如富锂锰基）可能因氧释放或结构坍塌损失少量容量。

（3）副反应

电解液分解、锂金属析出（快充时）等副反应进一步消耗活性锂

5.不同材料的首次效率对比

6.提升首次效率的关键技术

（1）预锂化（Prelithiation）
方法：在电池组装前向负极补充锂（如锂箔、锂粉、化学预锂化）。
效果：补偿SEI膜消耗的锂，提升首次效率至95%以上(硅基负极可提升至85-90%)。
（2）负极材料改性
硅碳复合：用碳材料缓冲硅的体积膨胀（如SiOx/C复合材料）。
纳米结构设计：减小硅颗粒尺寸，缓解机械应力。
（3）电解液优化
添加剂：VC（碳酸亚乙烯酯）、FEC（氟代碳酸乙烯酯）等可生成更致密的SEI膜，减少锂消耗。
新型电解质：固态电解质可抑制副反应，但工艺复杂。
（4）工艺改进
化成工艺：控制首次充电的电流、温度，优化SEI膜形成质量。
极片设计:调整压实密度和孔隙率,减少极化.