电池的库伦效率——到底多高才算高。

在研究电池，比如锂离子等电化学电池的时候，库伦效率（Coulombic Efficiency, CE）是一项非常重要的评价电池循环可逆性的指标。一个电池在循环过程中容量衰不衰减，衰减的快慢都可以通过库伦效率进行定性和定量的评价。所以我们在研究电池的电化学性能的时候，大多数情况都会提供它的库伦效率。看似很简单的一个概念，其实有许多点值得深思，今天我们就来聊一聊电池测试中有关库伦效率可能被忽视的点。

首先我们来看看库伦效率的定义。由于现在各种电池系统的开发，库伦效率的定义也要根据不同电池系统进行适当匹配。对于锂离子全电池来说（比如是正极含锂的氧化物，负极为不含锂的石墨），由于活性锂全部来源于正极，库伦效率的定义是在一次完全循环过程中，放电过程回到正极的锂离子量比上充电过程脱出正极的锂离子量。

可以用如下公式表述：

锂离子全电池首次运行需要先充电，然后放电，这样放电容量/充电容量就是这一圈循环的库伦效率了。由于充电过程中会在负极表面形成SEI膜或者其他副反应，这会消耗一部分活性锂离子，导致正极脱出的锂离子不能完全在后续的放电过程中回到正极，所以导致库伦效率是小于100%。这就会导致电池每一圈容量都会衰减，那么电池循环n圈后，它的容量保持率可以计算：

从这个公式可以看出，锂离子电池容量是呈指数衰减的。如果库伦效率不高，电池的容量就会衰减很快。这里我们举个例子。如果电池的每圈的库伦效率是99%，那么循环100圈后，它的容量保持率就是36.6%，也就是说100Ah的电池在这种情况下循环100圈只剩下36.6Ah的容量。如果每圈库伦效率是99.9%，循环100圈后的容量保持率为90%，这个还是相对较高的，但是它足够高吗？我们商业化的锂离子电池它的库伦效率一般为多少？我们拿iPhone手机的电池举例，Apple官网指出正常的电池在正常条件下运行，当充电周期数达到500时，电池应当最高可保持初始容量的80%。也就是说电池循环500圈，容量保持率在80%，换算成库伦效率约为99.96%。事实上，电池行业对电池报废的标准就是容量达到初始容量的80%时说明电池已经不能使用了，并不是容量降低到0才算电池坏了。

下面这张图可以给大家直观的印象，不同库伦效率对电池容量保持率的影响。可以说电池的库伦效率每提升0.1%，对循环寿命的提高都是极大的。

根据上面的介绍，我们来思考一支可用的电池，以正常循环300圈到达寿命终点（80%的容量保持）为例，它的库伦效率应该是多少呢？应该是99.93%！这是一个要精确到小数点后两位的百分数。如果对数字不敏感，很容易觉得99.9%和99.8%没有差别，甚至觉得99%和98%差别不大。但是在锂离子电池中计算库伦效率时就是关键区别。如果要声称一个电池它的库伦效率高，最起码也要库伦效率达到99.5%（100圈容量保持60%，其实已经不算高了）。

接下来聊一聊其他电池体系的库伦效率定义情况。锂离子电池的库伦效率定义很清晰。对于其他体系，比如锂金属电池，或者石墨和锂金属组成的半电池，他们的锂可以从锂金属负极获得，在定义库伦效率时稍稍不一样。这里首先要规定放电的方向。石墨/锂半电池它的放电方向是石墨嵌锂的过程，这和锂离子全电池刚好相反（全电池放电是石墨脱锂的过程）。由此石墨/锂半电池的库伦效率规定为：充电容量（石墨脱锂）/之前的放电容量（石墨嵌锂）。锂金属电池也是类似的，比如锂硫电池，他的库伦效率可以定义为：充电容量（硫正极嵌锂）/放电容量（硫正极脱锂），但是锂硫电池存在自身的问题，如穿梭效应，这会导致计算得到的库伦效率大于100%。所以目前在定义库伦效率的时候还并未有十分统一的观点。

再聊一聊库伦效率和电池循环寿命的关系。对于锂离子全电池，当然是库伦效率高，循环寿命好了。但是对于锂金属电池来说，由于负极的锂金属可以补偿循环过程中损失的活性锂，高的库伦效率并不总意味着好的循环寿命，库伦效率和电池的可用容量没有直接关系，不管电池的输出容量是初始容量的100%还是50%，库伦效率都可以非常高。但是电池循环性能好，库伦效率肯定高，这是毋庸置疑的。

参考文献

1. Understanding and applying coulombic efficiency in lithium metal batteries.
2. Accurate Determination of Coulombic Efficiency for Lithium Metal Anodes and Lithium Metal Batteries.
3. Measuring the Coulombic Efficiency of Lithium Metal Cycling in Anode-Free Lithium Metal Batteries.
4. Precision Measurements of the Coulombic Efficiency of Lithium-Ion Batteries and of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries.
5. iPhone 电池和性能 – 官方 Apple 支持 (中国)