首次库伦效率（First Coulombic Efficiency，FCE）是指电池在第一次充放电循环过程中，放电容量与充电容量的比值，通常用百分比表示。
例如，在锂离子电池中，首次充电时，锂离子从正极脱出，经过电解质嵌入负极，这个过程中会发生一些副反应，形成固体电解质界面膜（SEI 膜）等，消耗一部分锂离子，导致充电容量高于后续放电时能够释放出的容量。其计算公式为：首次库伦效率 =（第一次放电容量÷第一次充电容量）×100%。
一、首次库伦效率的重要性
- 对电池实际应用的影响：首次库伦效率在很大程度上决定了电池的实际可用容量和能量密度。较低的首次库伦效率意味着在首次充电过程中有较多的能量被损耗，这会减少电池在后续使用中能够提供的有效能量，对于追求高续航能力的电子设备（如智能手机、电动汽车等）来说是不利的。
- 与电池成本的关系：较低的首次库伦效率还可能增加电池的使用成本。因为在充电过程中，如果大量的电能被用于引发副反应而不是存储能量，会导致在相同的充放电条件下，需要消耗更多的电能来维持电池的正常使用，从而增加了能源消耗和成本。
二、影响首次库伦效率的因素
- 电极材料特性
- 材料的结构和组成：电极材料的微观结构，如晶体结构、孔隙率、颗粒大小等，会影响锂离子的嵌入和脱出过程以及副反应的发生。例如，纳米结构的电极材料通常具有较大的比表面积，可能会增加与电解质的接触面积，导致更多的副反应发生，从而降低首次库伦效率。此外，电极材料的化学组成也会对首次库伦效率产生影响。一些高容量的电极材料，由于其在首次充电过程中会发生较为复杂的相变和结构重组，可能会导致更多的锂离子损失，降低首次库伦效率。
- 表面化学性质：电极材料的表面化学状态对首次库伦效率有重要影响。材料表面的官能团、杂质以及表面的氧化还原状态等因素会影响电极与电解质之间的界面反应。例如，电极材料表面存在的活性位点可能会与电解质发生副反应，形成 SEI 膜等，消耗锂离子，从而降低首次库伦效率。通过对电极材料表面进行适当的修饰，如包覆、掺杂等，可以改善其表面化学性质，减少副反应的发生，提高首次库伦效率。
- 电解质成分和性质
- 电解质的溶剂和溶质：电解质中的溶剂和溶质的种类和性质会影响电池的首次库伦效率。不同的溶剂具有不同的电化学稳定性和离子电导率，可能会导致不同程度的副反应发生。例如，一些有机溶剂在高压下容易分解，产生气体和其他副产物，消耗电池中的锂离子，降低首次库伦效率。溶质的浓度和离子类型也会对首次库伦效率产生影响。较高浓度的溶质可能会增加离子的传输速度，但也可能会导致电解质的粘度增加，影响离子的扩散。此外，不同离子的半径和电荷特性会影响其在电极材料中的嵌入和脱出过程，进而影响首次库伦效率。
- 添加剂的作用：在电解质中添加适当的添加剂可以改善电池的首次库伦效率。添加剂可以在电极表面形成稳定的保护膜，抑制副反应的发生。例如，一些成膜添加剂可以优先在电极表面发生反应，形成均匀、稳定的 SEI 膜，减少锂离子的损失，提高首次库伦效率。添加剂还可以调节电解质的离子传输性能和电极表面的化学状态，优化电池的充放电过程。
- 充放电条件
- 充放电电流密度：充放电电流密度是影响首次库伦效率的重要因素之一。较高的充电电流密度会导致电极表面的极化现象加剧，使电池内部的化学反应速度加快，可能会引发更多的副反应，从而降低首次库伦效率。相反，较低的电流密度可以使充放电过程更加平稳，减少副反应的发生，有利于提高首次库伦效率。然而，过低的电流密度可能会导致充电时间过长，影响电池的使用效率。
- 充放电电压范围：充放电电压范围也会对首次库伦效率产生影响。如果充电电压过高，可能会导致电解质分解、电极材料结构破坏等问题，增加副反应的发生几率，降低首次库伦效率。而放电电压过低，可能会使电池过度放电，导致电极材料的不可逆损伤，同样会影响首次库伦效率。因此，选择合适的充放电电压范围对于提高首次库伦效率至关重要。