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一分钟搞清石墨负极材料的10个核心性能指标！

锂电那些事

3年前浏览2511

文章导读

石墨负极材料的技术指标众多，且难以兼顾，主要包括比表面积、粒度分布、振实密度、压实密度、真密度、首次充放电比容量、首次效率等。除此之外，还有电化学指标如循环性能、倍率性能、膨胀等等。

来自鞍钢化学科技有限公司的研究人员综述了石墨负极材料的核心性能指标对其性能的影响。

比表面积

指单位质量物体具有的表面积，颗粒越小，比表面积就会越大。

小颗粒、高比表面积的负极，锂离子迁移的通道更多、路径更短，倍率性能就比较好，但由于与电解液接触面积大，形成SEI膜的面积也大，首次效率也会变低。大颗粒则相反，优点是压实密度更大。

石墨负极材料的比表面积小于5m²/g为宜。

粒度分布

石墨负极材料的粒度对其电化学性能的影响表现在负极材料粒度大小将直接影响材料的振实密度以及材料的比表面积。

振实密度的大小将直接影响材料的体积能量密度，合适的材料粒度分布才可以最大限度的发挥材料的性能。

石墨负极材料标准中的粒度分布

振实密度

振实密度是依靠震动使得粉体呈现较为紧密的堆积形式下，所测得的单位容积的质量。它是衡量活性材料的一个重要指标，锂离子电池体积是有限的，若振实密度高，则单位体积的活性物质质量大，体积容量就高。

压实密度

压实密度主要针对极片，指负极活性物质和粘结剂等制成极片后，经过辊压后的密度，压实密度=面密度/(极片碾压后的厚度减去铜箔厚度)。

压实密度与片比容量、效率、内阻以及电池循环性能有密切关系。

压实密度的影响因素：颗粒的大小、分布和形貌都有影响。

真密度

材料在绝对密实状态下（不包括内部空隙），单位体积内固体物质的重量。

由于真密度是密实状态下测得，会高于振实密度。一般地，真密度＞压实密度＞振实密度。

石墨负极材料标准中的密度要求

首次充放电比容量

石墨负极材料在最初的充放电循环中存在不可逆容量，在锂离子电池的首次充电过程中，负极材料表面随着锂离子的嵌入，电解液中的溶剂分子共嵌，在负极材料表面分解形成SEI钝化膜。只有在负极表面完全被SEI膜覆盖后，溶剂分子不能嵌入，反应才得以停止。产生SEI膜要消耗一部分锂离子，这部分锂离子不能在放电过程中由负极表面脱出，因此造成不可逆容量损失，从而降低了第一次放电比容量。

首次库伦效率

评价一种负极材料性能优劣的一个重要指标就是其首次充放电效率，也称首次库伦效率。首次库伦效率直接决定电极材料的使用性能。

由于SEI膜大多是在电极材料的表面形成，所以电极材料的比表面积直接影响SEI膜的形成面积，比表面积越大，与电解液接触面积也越大，形成SEI膜面积也越大。

一般认为，形成稳定的SEI膜对电池的充放电是有利的，那种不稳定的SEI膜对反应是不利的，会不断消耗电解液，加厚SEI膜的厚度，增大内阻。

循环性能

电池循环性能是指电池容量下降到某一规定的值时，电池在某一充放电制度下所经历的充放电次数。在循环性能方面，SEI膜会对锂离子的扩散有一定的阻碍作用，随着循环次数的增加，SEI膜会不断脱落、剥离、沉积在负极表面，导致负极的内阻逐渐增加，带来热累积和容量损失。

膨胀

膨胀和循环寿命是正相关的关系，负极膨胀后，第一，会造成卷芯变形，负极颗粒形成微裂纹，SEI膜破裂重组，消耗电解液，循环性能变差；第二，会使隔膜受到挤压、尤其极耳直角边缘处对隔膜的挤压较严重，极易随着充放电循环的进行引起微短路或微金属锂析出。

就膨胀本身来说，石墨嵌锂过程中锂离子会嵌入石墨层间距里，导致层间距扩张、体积增大，这种膨胀部分是不可恢复的。膨胀的多少与负极的取向度有关，取向度=I004/I110，通过XRD数据可以计算出来。各向异性的石墨材料在嵌锂过程中倾向于往同一个方向（石墨晶体的C轴方向）发生晶格膨胀，因此将导致电池发生较大的体积膨胀。

倍率性能

锂离子在石墨负极材料中的扩散具有很强的方向性，即它只能垂直于石墨晶体C轴方面的端面进行插入。小颗粒、高比表面积的负极材料的倍率性能较好。另外，电极表面电阻（SEI膜带来）和电极导电性也影响倍率性能。

与循环寿命和膨胀相同，各向同性的负极，锂离子传输通道多，解决了各向异性结构中嵌入脱出的入口少、扩散速率低的问题，对大电流充放电也有作用，因此，石墨负极材料多采用造粒、包覆等工艺技术来提高其倍率性能。

来源：锂电那些事

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首次发布时间：2023-07-01