在锂离子电池产业链中，负极材料选型直接决定电芯能量密度、循环寿命、快充性能与制造成本。天然石墨与人造石墨作为两大主流负极，一直是电芯与材料企业研发与供应链重点博弈方向。本文结合元能科技自研设备，从四个维度展开对比：单颗粒压溃强度和形貌、粉末压实密度、受压反弹与形变量、电阻率，为电芯设计和材料改性提供方向。

1、实验设备与测试方法

1.1实验设备：

单颗粒力学性能测试系统，型号SPFT2000（IEST元能科技），如图1(a)；

粉末电阻率&压实密度仪，型号PRCD3100（IEST元能科技），如图1(b)。

图1. （a）SPFT2000外观图；（b）PRCD3100外观图

1.2测试方法：

（1）取四款粒径相近的石墨材料，D50为11-12μm，分别是人造石墨AGr-1和人造石墨AGr-2，天然石墨NGr-1和天然石墨NGr-2，分散均匀分别滴在载玻片上，测试压溃力和压溃强度，粉末抗压强度与压溃力的计算公式如图2所示。

图2. 粉末抗压强度（国标GB/T 43091-2023）1

（2）取四款石墨材料，分别在变压、卸压和稳态模式下测试，测试模式如图3所示。

图3. （a）变压模式；（b）卸压模式；（c）稳态模式

2、数据分析

2.1单颗粒力学性能测试结果：

单颗粒压溃强度用来表征石墨颗粒抵抗外力破碎的能力，与循环过程负极微观结构稳定性有关，如图4（b）和（c），人造石墨与天然石墨压溃力曲线不一样，且压溃强度明显高于天然石墨。人造石墨通常以针状焦、沥青焦为前驱体，经 2800 ℃以上高温石墨化，形成多晶交联结构，晶界可以阻滞裂纹扩展，提升抗破碎能力；天然石墨依靠范德华力维系片层堆叠，层间结合弱，受压易发生解理、片层剥离，颗粒更容易粉化破碎。石墨颗粒在锂脱嵌循环中持续承受交变应力，颗粒一旦破碎，会诱发 SEI 反复破裂-重建，消耗活性锂与电解液，造成循环跳水。

图4. (a)四款石墨材料压溃前后图片；(b)四款石墨材料压溃力曲线对比；(c)四款石墨材料压溃强度对比

2.2 粉末电阻率测试结果：

粉末电阻率反映颗粒之间接触导电能力，直接影响电芯直流内阻、快充发热与低温放电能力。10-350 MPa变压模式测试结果显示，人造石墨电阻率远低于天然石墨；10 MPa下AGr-1电阻率 7.0*10^-5 Ω・cm，而 NGr-1 高达 0.014 Ω・cm，相差约 3 个数量级。从晶体结构角度，石墨层面内导电性优异，但层间电阻极高；天然石墨颗粒取向性强，粉末受压后片层容易定向堆叠，增大颗粒间接触电阻；人造石墨为各向同性多晶结构，电子传输通路更加连续，粉末电阻率更低。

图5. 四款石墨材料电阻率对比

2.3 粉末压实密度及反弹测试结果：

压实密度决定单位体积内活性物质装填量，是电芯体积能量密度的关键指标。如图6（a）同一压强下，天然石墨压实密度高于人造石墨；369 MPa卸压后天然石墨NGr-2压实可达1.850 g/cm³，而人造石墨AGr-1仅 1.663 g/cm³。加压卸压后人造石墨样品的厚度变化量高于天然石墨，该现象与单颗粒弹塑性行为相关，天然石墨颗粒塑性占比高，压力卸载后弹性恢复小；人造石墨弹性占比更高，卸压后反弹更大。研究表明，天然石墨片层易滑移重排，高压下更容易实现颗粒紧密堆积；人造石墨颗粒刚度大、塑性变形有限，压实上限更低。天然石墨存在明显阈值风险，如图6（b）所示，压强超过临界值，颗粒发生破碎，此时极片孔隙结构恶化，影响电解液浸润与离子传导²。

图6. (a)四款石墨材料压实密度对比；(b)四款石墨材料卸压厚度变化量对比

2.4 粉末形变测试结果：

粉末受压的总形变量及弹性形变量，影响辊压后极片厚度一致性、装配群裕度，是量产良率关键参数。如图7所示，天然石墨最大形变量更高（NGr-1达45.16%），人造石墨总形变量更低（AGr-1 最大形变 35.61%）。

图7. 四款石墨材料形变量对比

3、总结

天然石墨与人造石墨性能差异本质是能量密度-循环寿命-成本-工艺窗口的综合博弈。追求极致体积能量密度、成本敏感、循环要求适中，改性球形天然石墨更占优势；追求长循环、高倍率、宽温域可靠性，人造石墨是更稳妥方案。人造石墨和天然石墨复配、表面包覆改性，取长补短，在能量密度、循环、成本之间寻找平衡点，这也是负极材料开发与电芯选型的核心思路。

4、参考文献

[1] GB/T 43091-2023，粉末抗压强度测试方法[s].

[2] Knoch J, Schmid A, Willert-Porada M. Impact of Spheroidization of Natural Graphite on Fast-Charging Capability of Anodes for LIB [J].Batteries,2023,9 (6):305MDPI.

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