目的
當我們談論鋰電池，總會提到能量密度、循環壽命、快充能力……這些宏大的性能指標，似乎離我們很遙遠。但是否想過，所有這些性能，都源於電池內部最微小的結構——一顆顆電極材料顆粒的“身體素質”。今天，我們就將視角聚焦到鋰電池的“心臟”之一——石墨負極，並經由一場別開生面的 “單顆粒壓潰測試” ，揭示人工石墨與天然石墨在強度上的驚人差異，以及這如何悄然塑造著電池的性能。

石墨來源
在鋰電池負極領域，石墨材料因其優異的導電性和穩定的層狀結構，長期佔據著絕對主導地位。石墨主要有兩大來源如下：
天然石墨：
a.來源：源於天然石墨礦經過提純、粉碎、球形化等處理而來。
b.結構特點：作為大自然的造物，其結構更接近“完美晶體”。石墨化程度高，層狀結構規整，有利於鋰離子的嵌入和脫出，因此容量相對更高。
b.優劣勢分析：優點是比容量高、成本較低；缺點是因其來源天然，顆粒表面存在較多缺陷和棱角，與電解液的相容性稍差，且批次穩定性較差。

人工石墨：
a.來源： 以石油焦、針狀焦等易石墨化碳為前驅體，經過高溫熱處理（石墨化）人工製備而成。
b.結構特點：在加工過程中，前驅體中的微小晶粒會重新排列、生長、融合，形成一種複雜的多晶結構。可以想像天然石墨是一塊完整的“大理石”，而人造石墨則是由無數“鵝卵石”和“水泥”膠結而成的“混凝土”。
c.優劣勢分析：優點是結構更穩定，與電解液的副反應少，循環壽命更長；缺點為技術複雜，成本較高，且容量略低於天然石墨。

人工石墨                                                    天然石墨

性能分析：單顆粒壓潰測試
元能科技IEST自主研發的單顆粒壓潰測試設備可以直觀比較這兩種材料顆粒的“身體素質”。在顯微鏡下，挑選出一顆完整的、形狀規整的天然石墨和人工石墨顆粒，然後用一個極細的探針，垂直施加壓力，直到顆粒被壓碎。“壓潰力”的數值，可以反映單個顆粒的抗壓強度。

本文選取了幾種不同的人工石墨（~10μm）和天然石墨（~20μm）進行單顆粒的壓潰測試，分析過程遵循嚴格的標準化步驟：首先，經由乙醇分散前處理，確保顆粒的均勻分佈；然後，以光學顯微鏡定位單個分散顆粒（如下圖）；接著，配置實驗參數並執行壓縮測試；分析過程中，觀察並記錄顆粒在壓縮前後的形態變化。每個樣品通常測試10個以上的顆粒，以確保資料的可靠性和統計意義。

人造石墨                                                       天然石墨

分析結果
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生彈塑性形變。當顆粒被壓縮到破碎時，我們稱此時達到顆粒的壓潰點，此時對應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。將每個樣品所測的壓潰力大小進行匯總，輸出樣品間壓潰力的對比圖。

人造石墨和天然石墨顆粒的壓潰曲線

人造石墨和天然石墨壓潰力對比圖
 

以中國國標GB/T 43091-2023粉末抗壓強度測試方法，經由顆粒的壓潰力計算得出顆粒的抗壓強度。從測試結果可以看出人工石墨顆粒的平均壓潰強度，顯著高於天然石墨顆粒。

人工石墨和天然石墨壓潰強度對比圖

天然石墨就像一本結構規整但粘合力不強的書，在受到外力時，其層與層之間（凡德瓦爾力結合）容易發生滑移和解理，進而導致顆粒從最脆弱的地方碎裂。人工石墨則像一本由無數小紙片緊密膠合而成的書。其內部的多晶結構和晶界 在受到外力時，能夠有效地阻礙裂紋的擴展，將集中應力分散到各個方向。裂紋每擴展一段，就會遇到新的晶界阻擋，需要消耗更多能量才能使其完全破碎。

分析優勢
一顆更堅硬的負極顆粒，對鋰電池來說意味著什麼？
更強的抗粉化能力，保證循環壽命：在電池的充放電過程中，石墨顆粒會反復地膨脹和收縮。強度不足的天然石墨顆粒在經過數百上千次循環後，容易因機械疲勞而破碎、粉化。
更穩定的電極結構，助力高能量密度：顆粒越強，在電極輥壓過程中就越不容易被壓碎。更高的壓實密度意味著在相同體積內可以填充更多的活性物質，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，鋰離子快速湧入石墨內部，會產生巨大的內應力。強度更高的顆粒更能抵抗這種應力帶來的結構破壞，為開發更安全、更耐用的快充電池提供了材料基礎。

結論
經由單顆粒壓潰測試這個微觀的視窗，我們可以看到，人工石墨憑藉其“混凝土”般的緻密結構，其機械強度上優於結構規整但“脆弱”的天然石墨。此特點最終轉化為了鋰電池更長的壽命、更高的能量密度和更好的可靠性。

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