快充石墨怎么选？软碳 硬碳能否上位
随着锂电池技术的迅速进步，电池的能量密度显著提升；消费电子和动力电池市场对于缩短充电时间的需求日益增长，快速充电技术成为锂电池发展的重要趋势。
针对快速充电的负极材料要求如下：第一，需要缩短充电时间并提升充电状态；第二，在提高充电倍率的同时不损害循环性能；第三，解决由于快充导致负极界面析锂的问题，确保安全性；第四，持续降低成本。快速充电主要体现在恒流阶段，解决恒流阶段的大功率挑战尤为关键。从电化学系统的角度来看，负极材料处于电池的负极端、低电位一侧。除了考虑自身特性，还需关注与电解液和集流体的相互作用。应对这一挑战有三种策略：
- 提高负极材料嵌锂和脱锂的能力；
- 改善负极材料与电解液的接触，提高材料的润湿性和析液性能；
- 增强负极材料与集流体的直接接触，提高电子导电性和接触粘附力。
1.石墨存在的问题
石墨负极因其理论比容量较高(372 mAh/g)、工作电位低(约0.1 V vs. Li/Li+)以及结构稳定性好（体积变化<10%）等优点，仍然是锂离子电池应用最多的负极材料。
然而，石墨的层状结构导致锂离子只能从材料的端面进入，然后扩散到颗粒内部，传输路径较长，不可逆容量较大，嵌锂速度较慢，影响快充应用。此外，石墨的嵌锂电位与锂金属沉积电位差异较小，在快速充电时，由于较大的极化作用，石墨的嵌锂电位会降至0 V以下，导致锂金属在负极表面析出，进而增加电池内阻、导致容量衰减，影响循环性能。析出的锂金属还可能生成枝晶，刺穿隔膜，造成内部短路，带来严重的安全隐患。
2.提高快充解决方案
石墨改性 通过对石墨表面进行刻蚀以形成孔隙，增加锂离子的扩散通道，从基面嵌入锂，缩短传输距离，提升锂在石墨中的固相扩散速度，降低极化和析锂风险，从而提升快充性能。
表面氧化处理 通过氧化剂处理石墨表面，生成含有O、H、N等元素的官能团，或形成微扩层石墨，改变边缘形态，增大层间距。
提升电解液润湿性 在石墨表面涂覆无定形Al2O3，显著改善其对电解液的润湿性，提升倍率性能。
结构优化 通过构建梯度碳结构，增强内部结晶度以提升稳定性与性能。
优化SEI膜 在石墨和锂沉积表面生成SEI膜，保护电极并提升循环寿命。采用人工SEI膜隔离电解质与石墨直接接触，提高电导率，并提供快速的锂离子扩散通道。
3.软碳和硬碳，机遇与挑战
软碳，也称为易石墨化碳材料，是一种在2000℃以下能够石墨化的无定形碳，具有低结晶度、大层间距、高可逆比容量，并且与电解液有良好的兼容性。使用软碳作为锂电池的负极材料可以有效提高电池内部的循环稳定性。然而，其首次放电时的不可逆容量较高，输出电压较低，且没有明显的电压平台。通常通过石油焦或针状焦的烧结工艺制备软碳。
硬碳，亦称难石墨化碳材料，即使在3000℃以上也难以石墨化。常见的硬碳材料包括树脂碳和乙炔黑，其层间距适中。硬碳负极材料内部拥有高度无序的碳层结构，这种结构中存在大量的缺陷，为锂离子的嵌入提供了多个路径，因此硬碳材料的容量通常超过400mAh/g，优于石墨。这种材料有助于提升锂电池的容量和倍率性能。硬碳在充放电过程中几乎不会膨胀，具有优异的充放电性能，已在日本得到广泛应用。
硬碳材料存在一些问题，包括其较低的密度（硬碳的真密度为1.6g/cm³，而石墨为2.2g/cm³）、电压曲线斜率大、库伦效率低等。这些问题导致在锂电池的首次充电过程中出现较大的不可逆容量，进而影响锂电池能量密度的提升。此外，硬碳材料的压实密度较低，不利于电池体积能量密度的提高。因此，硬碳材料通常不适合作为单一的负极材料使用。
硬碳材料具有较大的层间距和随机排列的晶体结构，锂离子在硬碳中的扩散系数远高于石墨，这使其成为快充和高功率电池的理想负极材料。硬碳还具备较高的锂插入潜力，其材料内部存在微孔，且与电解液有良好的兼容性，使其在反应动力学性能方面表现优越，具备高倍率、高安全性、长寿命和耐低温等优点。然而，硬碳和软碳材料的效率较低且成本较高，能量密度和首次充电效率都较低。
为提升其性能，通常采取表面修饰手段来减少副反应，提高首次充电的库伦效率，并通过掺杂技术增加材料的容量和能量密度。软碳的比容量通常可达300mAh/g以上，效率可达84%。硬碳和软碳作为快充材料在电压平台上的表现较好，有利于锂离子的快速嵌入，且减少了析锂现象，安全性更高。数据显示，在10C的充电条件下，硬碳在6分钟内可以达到93%的充电状态（SOC），软碳则可达到90.7%，且两者的电压上升较为平缓，相较于石墨的电压陡升表现更为优越。