ไม่ว่าเซลล์เต็มหรือครึ่งเซลล์ ประสิทธิภาพของการชาร์จและการคายประจุครั้งแรกจะแตกต่างอย่างมากจากรอบที่ตามมา พารามิเตอร์คำอธิบายสำหรับคุณลักษณะนี้คือประสิทธิภาพแรก
การอภิปรายเกี่ยวกับประสิทธิภาพแรกควรแบ่งออกเป็นครึ่งเซลล์และเซลล์เต็ม และแผนการปรับปรุงที่สำคัญสำหรับประสิทธิภาพแรก: ก่อนการลิเธียม

หลังจากที่วัสดุอิเล็กโทรดบวกครึ่งเซลล์ (วัสดุอิเล็กโทรดบวกคืออิเล็กโทรดบวก และแผ่นลิเธียมโลหะเป็นอิเล็กโทรดลบ) เสร็จสิ้น ขั้นแรกจะต้องผ่านวงจรการคายประจุ: ในระหว่างกระบวนการชาร์จ ลิเธียมไอออนจะถูกขจัดอินเตอร์คาล จากขั้วบวกและตกตะกอนบนแผ่นลิเธียมโลหะขั้วลบ ; ในระหว่างการคายประจุ แผ่นโลหะลิเธียมจะสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อสร้างลิเธียมไอออนและผ่านอิเล็กโทรไลต์ จากนั้นแทรกสอดเข้าไปในอิเล็กโทรดบวก

ลองใช้ข้อมูลครึ่งเซลล์ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เป็นตัวอย่าง ความจุในการชาร์จครั้งแรกของครึ่งเซลล์นั้นสูงกว่าความจุการคายประจุครั้งแรกเล็กน้อย กล่าวคือ 100% ของลิเธียมไอออนที่คายประจุออกจากอิเล็กโทรดบวกระหว่างการชาร์จจะไม่กลับคืนสู่อิเล็กโทรดบวกในระหว่างการคายประจุ ความจุการคายประจุครั้งแรก/ความจุการชาร์จครั้งแรกคือประสิทธิภาพแรกของครึ่งเซลล์นี้

ไม่เพียงแต่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ แต่วัสดุแคโทดทั่วไปอื่นๆ เช่น ternary, ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต ฯลฯ ครึ่งเซลล์ยังมีปรากฏการณ์ของ "ความสามารถในการปลดปล่อยครั้งแรก < ความสามารถในการชาร์จครั้งแรก" ประสิทธิภาพแรกของไตรภาคคือต่ำสุด โดยทั่วไป 85~ 88%; ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เป็นอันดับสองโดยทั่วไป 94 ~ 96%; ลิเธียมโซเดียมฟอสเฟตสูงกว่าลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เล็กน้อย 95% ~ 97%

แล้วความจุที่หายไประหว่างการชาร์จและการคายประจุครั้งแรกไปอยู่ที่ไหน? สำหรับครึ่งเซลล์ของวัสดุแคโทด การสูญเสียความจุส่วนใหญ่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างวัสดุหลังจากการปลดปล่อยครั้งแรก: หลังจากการปลดปล่อยครั้งแรก โครงสร้างวัสดุแคโทดเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการดีลิเธียม ซึ่งจะช่วยลดตำแหน่งของการแทรกสอดลิเธียมในวัสดุ และลิเธียมไอออนไม่สามารถทำได้ ทั้งหมดจะถูกฝังกลับเข้าไปในอิเล็กโทรดบวกในระหว่างการคายประจุครั้งแรก ส่งผลให้สูญเสียความจุ

เช่นเดียวกับฮาล์ฟเซลล์ของวัสดุแคโทด ฮาล์ฟเซลล์ของวัสดุแอโนดก็ได้รับผลกระทบจากประสิทธิภาพแรกเช่นกัน ตัวอย่างวัสดุกราไฟท์ครึ่งเซลล์ วัสดุกราไฟท์มีลิเธียมไอออนดีอินเตอร์คาเลชันและศักยภาพการแทรกสูง ดังนั้นจึงเป็นอิเล็กโทรดบวก และแผ่นลิเธียมโลหะเป็นอิเล็กโทรดลบ ในรอบแรก ลิเธียมไอออนจะต้องสูญเสียอิเล็กตรอนจากแผ่นลิเธียม กราไฟท์ (อิเล็กโทรดบวก) ดังนั้นครึ่งเซลล์จะถูกคายประจุก่อนแล้วจึงชาร์จ ความจุการชาร์จครั้งแรกของครึ่งเซลล์นั้นต่ำกว่าความสามารถในการคายประจุครั้งแรกอย่างมีนัยสำคัญ กล่าวคือ หลังจากที่ลิเธียมไอออนมาถึงชั้นกราไฟต์ระหว่างกระบวนการคายประจุ ประจุเหล่านี้จะไม่ถูกขจัดออกจากกราไฟท์ 100% ในระหว่างการชาร์จครั้งต่อๆ ไป ลิเธียมไอออนที่สูญเสียไปอยู่ที่ไหนในช่วงเวลานี้? ฉันเชื่อว่าเพื่อนที่มีพื้นฐานทางทฤษฎีบางอย่างสามารถนึกถึงเหตุผลนี้ได้: เมื่อปล่อยครึ่งเซลล์กราไฟต์เป็นครั้งแรก ลิเธียมไอออนจะสร้างฟิล์ม SEI บนพื้นผิวกราไฟท์ก่อนที่จะฝังตัวในกราไฟท์ และลิเธียม ไอออนที่อุทิศให้กับฟิล์ม SEI ไม่สามารถกู้คืนได้ในระหว่างการชาร์จครั้งต่อๆ ไป กับอิเล็กโทรดลบของแผ่นลิเธียม ส่งผลให้ความจุการคายประจุครั้งแรกของครึ่งเซลล์กราไฟท์ > ความจุประจุแรก และลิเธียมไอออนที่ใช้กับฟิล์ม SEI จะไม่สามารถกู้คืนได้ในระหว่างการชาร์จครั้งต่อๆ ไป กับอิเล็กโทรดลบของแผ่นลิเธียม ส่งผลให้ความจุการคายประจุครั้งแรกของครึ่งเซลล์กราไฟท์ > ความจุประจุแรก และลิเธียมไอออนที่ใช้กับฟิล์ม SEI จะไม่สามารถกู้คืนได้ในระหว่างการชาร์จครั้งต่อๆ ไป กับอิเล็กโทรดลบของแผ่นลิเธียม ส่งผลให้ความจุการคายประจุครั้งแรกของครึ่งเซลล์กราไฟท์ > ความจุประจุแรก

สำหรับวัสดุแคโทด เช่น ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์และเทอร์นารี เหตุผลหลักสำหรับประสิทธิภาพแรกคือโครงสร้างของวัสดุเปลี่ยนไปหลังจากการแยกส่วนครั้งแรก ส่งผลให้การแทรกสอดลิเธียมไอออน 100% ล้มเหลว สำหรับแอโนดที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ ประสิทธิภาพแรกส่วนใหญ่เกิดจากการก่อตัวของ SEI
สำหรับวัสดุกราไฟต์หรือเมโซเฟสแอโนดที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน โดยทั่วไปประสิทธิภาพแรกจะอยู่ระหว่าง 90 ถึง 92% สำหรับลิเธียมไททาเนตซึ่งเป็นวัสดุที่แทบจะไม่สร้างฟิล์ม SEI ประสิทธิภาพแรกจะได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญประมาณ 97% นอกจากนี้ สำหรับวัสดุแอโนดคาร์บอนซิลิคอนที่เกิดขึ้นใหม่ในปัจจุบัน เนื่องจากประสิทธิภาพแรกของแอโนดคาร์บอนซิลิคอนมีเพียง 50% ประสิทธิภาพแรกของแอโนดคาร์บอนซิลิคอนจะค่อยๆ ลดลงเมื่อปริมาณซิลิกอนเพิ่มขึ้น

บทสรุป ประสิทธิภาพแรกของ half-cell ได้แนะนำคุณมากมาย โดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพของเซลล์ครึ่งเซลล์ สิ่งที่เราสนใจมากที่สุดคือประสิทธิภาพของเซลล์เต็ม เมื่อวัสดุบวกและลบที่มีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพแรกรวมกันเป็นแบตเตอรี่เต็ม จะแสดงลักษณะใด คำตอบจะถูกเปิดเผยในบทความถัดไป