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微觀世界的力量，決定宏觀性能的巔峰。當(dāng)我們談?wù)撲囯姵?，總?huì)提到能量密度、循環(huán)壽命、快充能力……這些宏大的性能指標(biāo)，似乎離我們很遙遠(yuǎn)。但是否想過(guò)，所有這些性能，都源于電池內(nèi)部最微小的結(jié)構(gòu)——一顆顆電極材料顆粒的“身體素質(zhì)”

今天，我們就將視角聚焦到鋰電池的“心臟”之一——石墨負(fù)極，并通過(guò)一場(chǎng)別開生面的 “單顆粒壓潰測(cè)試” ，揭示人造石墨與天然石墨在強(qiáng)度上的驚人差異，以及這如何悄然塑造著電池的性能。

一、 雙雄爭(zhēng)霸：石墨負(fù)極的兩大主角

在鋰電池負(fù)極領(lǐng)域，石墨材料因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)地位。而它主要分為兩大派系：

1. 天然石墨：大自然的饋贈(zèng)

來(lái)源： 顧名思義，它源于天然石墨礦經(jīng)過(guò)提純、粉碎、球形化等處理而來(lái)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 作為大自然的造物，其結(jié)構(gòu)更接近“完美晶體”。石墨化程度高，層狀結(jié)構(gòu)規(guī)整，有利于鋰離子的嵌入和脫出，因此容量相對(duì)更高。

優(yōu)劣勢(shì)分析： 優(yōu)點(diǎn)是比容量高、成本較低；缺點(diǎn)是因其來(lái)源天然，顆粒表面存在較多缺陷和棱角，與電解液的相容性稍差，且批次穩(wěn)定性較差。

2. 人造石墨：科技的結(jié)晶

來(lái)源： 以石油焦、針狀焦等易石墨化碳為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚恚ㄊ┤斯ぶ苽涠伞?/p>

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 這是經(jīng)過(guò)“千錘百煉”的產(chǎn)物。在加工過(guò)程中，前驅(qū)體中的微小晶粒會(huì)重新排列、生長(zhǎng)、融合，形成一種復(fù)雜的多晶結(jié)構(gòu)?？梢韵胂筇烊皇且粔K完整的“大理石”，而人造石墨則是由無(wú)數(shù)“鵝卵石”和“水泥”膠結(jié)而成的“混凝土”。

優(yōu)劣勢(shì)分析： 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，與電解液的副反應(yīng)少，循環(huán)壽命更長(zhǎng)；缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，成本較高，且容量略低于天然石墨。

二、 微觀角力場(chǎng)：?jiǎn)晤w粒壓潰測(cè)試

通過(guò)元能科技自主研發(fā)的單顆粒壓潰測(cè)試設(shè)備可以直觀比較這兩種材料顆粒的“身體素質(zhì)”。這項(xiàng)測(cè)試可以理解為一場(chǎng)微觀世界的“舉重比賽”。在顯微鏡下，挑選出一顆完整的、形狀規(guī)整的天然石墨和人造石墨顆粒，然后用一個(gè)極細(xì)的探針，垂直施加壓力，直到顆粒被壓碎。這個(gè)“壓潰力”的數(shù)值，就可以反映單個(gè)顆粒的抗壓強(qiáng)度。（更多詳細(xì)測(cè)試請(qǐng)參考：鋰電新型解決方案 | 單顆粒力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)）

本文選取了幾種不同的人造石墨（~10μm）和天然石墨（~20μm）進(jìn)行單顆粒的壓潰測(cè)試，測(cè)試過(guò)程遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化步驟：首先，通過(guò)乙醇分散制樣，確保顆粒的均勻分布；然后，利用光學(xué)顯微鏡定位單個(gè)分散顆粒（如下圖）；接著，配置實(shí)驗(yàn)參數(shù)并執(zhí)行壓縮測(cè)試；測(cè)試過(guò)程中，觀察并記錄顆粒在壓縮前后的形態(tài)變化。每個(gè)樣品通常測(cè)試10個(gè)以上的顆粒，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和統(tǒng)計(jì)意義。

三、結(jié)果揭曉：人造石墨展現(xiàn)“硬”實(shí)力

以下展示部分顆粒的壓潰曲線（壓力-位移曲線），顆粒在被壓縮初期發(fā)生彈塑性形變。當(dāng)顆粒被壓縮到破碎時(shí)，我們稱此時(shí)達(dá)到顆粒的壓潰點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值我們稱為顆粒的壓潰力，表示顆粒在該壓力值情況下被壓潰或者失效。將每個(gè)樣品所測(cè)的壓潰力大小進(jìn)行匯總，輸出樣品間壓潰力的對(duì)比圖。

基于國(guó)標(biāo)GB/T 43091-2023粉末抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法，通過(guò)顆粒的壓潰力計(jì)算得出顆粒的抗壓強(qiáng)度。從測(cè)試結(jié)果可以看出人造石墨顆粒的平均壓潰強(qiáng)度，顯著高于天然石墨顆粒。

天然石墨就像一本結(jié)構(gòu)規(guī)整但粘合力不強(qiáng)的書，在受到外力時(shí)，其層與層之間（范德華力結(jié)合）容易發(fā)生滑移和解理，從而導(dǎo)致顆粒從最脆弱的地方碎裂。

人造石墨則像一本由無(wú)數(shù)小紙片緊密膠合而成的書。其內(nèi)部的多晶結(jié)構(gòu)和晶界 在受到外力時(shí)，能夠有效地阻礙裂紋的擴(kuò)展，將集中應(yīng)力分散到各個(gè)方向。裂紋每擴(kuò)展一段，就會(huì)遇到新的晶界阻擋，需要消耗更多能量才能使其完全破碎。這使得人造石墨顆粒更像一個(gè)“韌性戰(zhàn)士”。

四、 “硬”核優(yōu)勢(shì)如何賦能電池性能？

一顆更堅(jiān)硬的負(fù)極顆粒，對(duì)鋰電池來(lái)說(shuō)意味著什么？這絕不是簡(jiǎn)單的“肌肉”展示，而是實(shí)打?qū)嵉男阅芴嵘?/p>

更強(qiáng)的抗粉化能力，保障循環(huán)壽命：在電池的充放電過(guò)程中，石墨顆粒會(huì)反復(fù)地膨脹和收縮。強(qiáng)度不足的天然石墨顆粒在經(jīng)過(guò)數(shù)百上千次循環(huán)后，容易因機(jī)械疲勞而破碎、粉化。

更穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)，助力高能量密度：顆粒越強(qiáng)，在電極輥壓過(guò)程中就越不容易被壓碎。這使得制造商可以制備出壓實(shí)密度更高的電極。更高的壓實(shí)密度意味著在相同體積內(nèi)可以填充更多的活性物質(zhì)，從而直接提升電池的體積能量密度。

潛在的快充性能提升：在快充時(shí)，鋰離子快速涌入石墨內(nèi)部，會(huì)產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力。強(qiáng)度更高的顆粒更能抵抗這種應(yīng)力帶來(lái)的結(jié)構(gòu)破壞，為開發(fā)更安全、更耐用的快充電池提供了材料基礎(chǔ)。

結(jié) 語(yǔ)

透過(guò)單顆粒壓潰測(cè)試這個(gè)微觀的窗口，我們清晰地看到，人造石墨憑借其“混凝土”般的致密結(jié)構(gòu)，其機(jī)械強(qiáng)度上優(yōu)于結(jié)構(gòu)規(guī)整但“脆弱”的天然石墨。這份“硬”核實(shí)力，最終轉(zhuǎn)化為了鋰電池更長(zhǎng)的壽命、更高的能量密度和更好的可靠性。

未來(lái)趨勢(shì)：融合與創(chuàng)新

目前，單純的天然或人造石墨的界限正在模糊，更多的是復(fù)合化：

復(fù)合石墨：將天然石墨和人造石墨按一定比例混合，或者在人造石墨顆粒中引入天然石墨，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在成本、容量、倍率和循環(huán)之間找到最佳平衡點(diǎn)。這是當(dāng)前非常主流的技術(shù)方向。

硅碳負(fù)極：無(wú)論是天然石墨還是人造石墨，其容量都已接近理論極限。未來(lái)的方向是在石墨中摻入硅，形成硅碳復(fù)合負(fù)極，可大幅提升能量密度。此時(shí)，人造石墨因其更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，通常被認(rèn)為是更好的硅基材料“宿主”