一文了解锂电负极之石墨

如今，95%的锂离子电池中都使用了石墨负极活性材料。石墨是锂离子电池中不可或缺的部分，占单体电池质量比重通常在10%~20%。石墨负极主要有以下特征：

理论容量

石墨的理论容量为372 mAh/g，在实际应用中可达330–370 mAh/g，远高于其他碳基材料。这一特性使其能够储存较多的锂离子，满足电池的高能量密度要求。与硅基负极相比，虽然石墨容量较低，但其具有更优越的循环稳定性和成本优势（硅基负极体积膨胀，容量衰减过快）。

安全性

①稳定的电压

石墨工作电压较低且稳定（~0.1–0.2V vs. Li+/Li），在充放电过程中最大限度地降低了锂析出的风险（锂析可能导致短路或火灾）。

②固体电解质界面（SEI）形成

在初始循环过程中，石墨表面形成钝化层（SEI），使电解质和电极表面的反应得以稳定并防止进一步降解。

③较小的体积膨胀

石墨在完全嵌锂（形成LiC₆）后仅膨胀约10%，而硅则为300%+。膨胀较低意味着机械应力减少，长期循环稳定且更安全。

独特的层状结构

石墨独特的层状结构使锂离子能够轻松嵌入，具有低扩散能量（~0.3–0.5 eV）。其大的表面积（~2630 m2/g）可以提供丰富的活性位点，增强了锂离子的运输能力。层数、缺陷和掺杂（如N、B、S）等结构特征可以进一步提高导电性和扩散性。其柔性还有助于缓冲循环时的容量变化，提升电池稳定性。

较低的成本优势

石墨相比其他负极材料具有显著的成本优势。它丰富、易于加工且商业化成熟，因此原材料和生产成本低廉。此外，石墨长循环寿命和低降解率进一步降低锂离子电池的总体成本。这些因素使石墨成为当前商业电池体系中，最具成本效益且广泛采用的负极材料。

石墨的SEI兼容性

石墨在初始循环过程中形成稳定均匀的SEI膜，有效防止电解质进一步分解，并确保锂离子脱嵌的可逆性。其极小的体积变化使SEI在长时间运行中保持完整，提升了电池寿命和安全性。与硅相比，石墨在SEI稳定性和电解质兼容性上表现得更好，非常适合商业用途。作为锂离子电池中主要的负极材料，石墨在性能、安全和成本效益方面树立了标杆。尽管硅和锂金属等新一代材料日益受到关注，石墨依然是当今储能需求中最可靠且可发展的解决方案。