導(dǎo)讀：鋰離子電池的能量密度很大程度上取決于負極材料，從實現(xiàn)商業(yè)化到現(xiàn)在，鋰離子電池所用的負極材料最成熟的為石墨。

（來源：微信公眾號“電池聯(lián)盟” ID：zgcbcu 作者：龍闕）

鋰離子電池以其高容量、高電壓、高循環(huán)穩(wěn)定性、高能量密度、無環(huán)境污染等優(yōu)異的性能倍受青睞，被譽為21世紀(jì)的綠色能源與主導(dǎo)電源，具有廣泛的民用與國防應(yīng)用前景。

目前鋰離子電池及其關(guān)鍵材料已成為各國關(guān)注產(chǎn)業(yè)焦點，也是我國能源領(lǐng)域重點扶持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

近日，2019年諾貝爾化學(xué)獎被授予了約翰·班寧斯特·古迪納夫、斯坦利·惠廷漢姆、吉野彰三位教授，以表彰他們?yōu)殇囯姵匕l(fā)展做出的貢獻。

1976年，斯坦利·惠廷漢姆和他的團隊制成了世界上第一塊可充電的鋰離子電池，完成了電池技術(shù)領(lǐng)域一次質(zhì)的飛躍。

1980年，約翰·班寧斯特·古迪納夫以鈷酸鋰作為正極材料代替了硫化鈦，使得電池技術(shù)又向前邁出了實質(zhì)性的一大步。

1991年，吉野彰用石墨為負極材料代替了金屬鋰，從根本上改善了鋰電池容量、循環(huán)壽命，以及降低了成本。

鋰離子電池的能量密度在很大程度上取決于負極材料，從鋰離子電池實現(xiàn)商業(yè)化到現(xiàn)在，所用的負極材料最成熟的主要為石墨。

與其他碳材料相比，石墨類材料具備電子電導(dǎo)率高、鋰離子擴散系數(shù)大、嵌鋰容量高與嵌鋰電位低等優(yōu)點，且石墨材料來源廣泛、價格便宜，是較早應(yīng)用的負極材料，也是目前主流的鋰離子電池負極材料。

隨著石墨負極中鋰離子嵌入越來越深入，負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，石墨負極也完成了C到LiC12到LiC6的轉(zhuǎn)變，從而完成了充電過程。

石墨材料主要分為人造石墨與天然石墨。

2018年，天然石墨與人造石墨的滲透率合計約為93%，其中人造石墨占比達69%，天然石墨占比24%，其他石墨占比7%。

天然石墨大小顆粒不一，粒徑分布廣，未經(jīng)處理的天然石墨不能作為負極材料直接使用的，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較為一致。

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；而人造石墨的各項性能則比較均衡，循環(huán)性能好，與電解液的相容性也比較好，因此價格也會貴一些。

天然石墨雖具備成本和比容量優(yōu)勢，但其循環(huán)壽命低，且一致性低于人造石墨，相較于天然改性石墨，人造石墨技術(shù)發(fā)展較為成熟，且其電解液相容性較好。

此外，天然石墨主要用于小型鋰電池和一般用途的電子產(chǎn)品鋰電池，人造石墨則憑借優(yōu)良的循環(huán)性能、大倍率充放電效率和電解液相容性等顯著優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于車用動力電池及中高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

天然石墨主要分為無定形石墨與鱗片石墨兩種。

無定形石墨純度低，石墨晶面間距為0.336 nm，主要為六面體石墨晶面排序結(jié)構(gòu)，即石墨層按ABAB…順序排，單個微晶之間的取向呈現(xiàn)各項異性，但經(jīng)過加工，微晶顆粒相互之間有一定的交互作用，形成塊狀或顆粒狀的粒子時具有各向同性性質(zhì)。

鱗片石墨的結(jié)晶度較高，片層結(jié)構(gòu)單元化大，具有明顯的各向異性。這種結(jié)構(gòu)決定了石墨在鋰嵌入和脫嵌過程中體積產(chǎn)生較大的變化，導(dǎo)致石墨層結(jié)構(gòu)破壞，進而造成了較大的不可逆容量損失和循環(huán)性能的劇烈惡化。

作為鋰離子電池負極石墨時，鱗片石墨有首次不可逆容量大的缺點，且鱗片石墨循環(huán)性能和大電流充放電性能差，因此，在使用時往往側(cè)重于對天然石墨進行改性研究，改善其自身結(jié)構(gòu)缺點提升電池性能。

人造石墨根據(jù)加工工藝的不同，主要分為MCMB、軟碳和硬碳等。

人造石墨負極材料是將針狀焦、石油焦、瀝青焦等原料在一定溫度下煅燒，再經(jīng)粉碎、分級、高溫石墨化制成，其高結(jié)晶度是通過高溫石墨化形成的。

隨著全球動力電池市場的爆發(fā)，對材料成本、加工性能、能量密度、循環(huán)壽命、快充倍率等因素的綜合要求提升，人造石墨逐步成為鋰電池負極材料的首選。

近年來，受益于新能源汽車需求帶來的動力電池產(chǎn)量增長，全球人造石墨市場需求量逐年增加，2018年全球人造石墨需求量達12.7萬噸，同比增長39.6%，預(yù)計到2025年市場需求量將達到42.5萬噸。

2018年，我國人造石墨需求量達8.6萬噸，同比增長32.3%，出貨量達13.3萬噸，同比增長33%。

隨著動力電池市場的持續(xù)擴大，人造石墨已成為我國負極材料中最主要的材料，預(yù)計2025年中國人造石墨需求量將達到26.5萬噸。