作為鋰離子電池四大主材之一的負(fù)極材料，其比容量以及工作電壓直接決定著電池的能量密度和工作電壓，雖然硅材料開始逐步走向產(chǎn)業(yè)化，但目前的主流負(fù)極材料仍然是石墨類負(fù)極材料，其在反應(yīng)過程中具有較低的嵌鋰電位，同時生成的插鋰層間化合物代替金屬鋰負(fù)極，從而避免了金屬鋰枝晶的沉積，因此安全性得以顯著提高。而作為鋰電四大主材的最后一個主題，將通過對石墨類材料的基礎(chǔ)知識、生產(chǎn)工藝、測試方法、失效模式分析等幾個方面對其有一個系統(tǒng)的、直觀的認(rèn)識，對石墨類材料的基礎(chǔ)知識做一個簡單的介紹。

石墨類材料主要分為人造石墨和天然石墨，人造石墨又會根據(jù)加工工藝的不同分為MCMB（中間相碳微球）、軟碳和硬碳等，理想的石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，每個平面類似于苯環(huán)，層面之間通過大π鍵連接；具有2H型六方晶系以及3R型菱面體晶系。

對于理想的石墨而言，其理論容量為372mAh／g，但在實際電池設(shè)計過程中，一般負(fù)極會過量5％－10％，同時在首次充電過程中形成SEI膜對負(fù)極表面形成保護(hù)，阻止電解液和負(fù)極的進(jìn)一步反應(yīng)，而這層膜的好壞將直接影響電池的各項性能。

隨著石墨負(fù)極中鋰離子嵌入越來越深入（Stage－4－Stage－1），負(fù)極的表面顏色也逐漸發(fā)生變化，從黑色到青黑色再到暗黃色最后到金黃，石墨負(fù)極也完成了C－LiC12－LiC6的轉(zhuǎn)變，從而完成了充電過程。

從上圖中就可以看出天然石墨和人造水墨在形貌上的區(qū)別，天然石墨大小顆粒不一，粒徑分布廣，未經(jīng)處理的天然石墨是不能作為負(fù)極材料直接使用的，需要經(jīng)過一系列的加工后才能使用，而人造石墨在形貌以及粒徑分布上就一致多了；一般認(rèn)為，天然石墨的容量高，壓實密度高，價格也比較便宜，但是由于顆粒大小不一，表面缺陷較多，與電解液的相容性比較差，副反應(yīng)比較多；而人造石墨則各項性能比較均衡，循環(huán)性能好，與電解液的相容性也比較好，價格也會貴一些。

對于負(fù)極材料，常常會聽到一個取向度的概念，也就是所謂的OI值，它的大小將直接影響著負(fù)極的電解液浸潤、表面的阻抗、大倍率充放電性能，也直接影響著負(fù)極在循環(huán)過程中的膨脹。取向度＝I（004）／I（110），通過XRD數(shù)據(jù)可以計算出來。

通過上圖可以看出，隨著取向度的降低，大倍率充電的能力也在逐漸提升，達(dá)到一個穩(wěn)定的值。

除此以外，石墨負(fù)極的形貌也對電池性能有很大的影響，球形石墨顆粒之間的接觸明顯不如不規(guī)則石墨顆粒的接觸，因而阻抗也會大一些，這對材料的設(shè)計而言是一個方向，對顆粒大小的匹配以及保證顆粒之間的面接觸，增大接觸面積，降低接觸阻抗，從而達(dá)到降低極化的目的。

而材料本身的包覆狀態(tài)也會影響負(fù)極的性能，一般會包覆一些無定型的碳材料，從而改善負(fù)極的界面阻抗，改善低溫以及循環(huán)性能。

而隨著電池能量密度的提升，石墨負(fù)極的容量利用率也逐漸接近理論值，同時壓實也會越來越高，這就要求石墨負(fù)極的穩(wěn)定性也要隨之提高，目前而言，摻雜和包覆仍然是處理的一個主流手段，改性以后可以使石墨負(fù)極在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)得到保護(hù)，增強(qiáng)了循環(huán)的穩(wěn)定性，另外，金屬以及非金屬元素的引入也可以顯著的改善負(fù)極的性能，相關(guān)文獻(xiàn)也比較多，再次就不多贅述了。

本次主要介紹了負(fù)極的一些基礎(chǔ)知識，下一篇將主要介紹負(fù)極相關(guān)參數(shù)的檢測，敬請期待。

參考文獻(xiàn)來源于百度文庫以及第58屆日本研討會報告集

作者：鋰電聯(lián)盟會長