石墨化度与锂离子电池

负极材料是锂离子电池的四大关键材料之一，约占整个电芯成本的15%。石墨由于具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，成为目前主流的商业化锂离子电池负极材料。

石墨的嵌锂机理大致为，锂离子嵌入石墨层间后，形成嵌锂化合Li_xC₆(0≤x≤1），理论容量可达372mAh/g( x=1)。

石墨的晶体结构为密排六方结构P63/mmm空间群，具有典型的层状结构特征。在石墨层面内，碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸，层面间每个碳原子与其相邻的三个碳原子以sp²杂化的强σ键结构形式存在，结构相当稳定；在石墨层与层之间，碳—碳之间仅以弱的范德华力(Van der Waals)结合，层面间距大约为0.34nm，由于石墨层间的结合力薄弱，且空间较大，容易插入其它金属或非金属分子、原子、离子或离子团，形成石墨层间化合物。

石墨可以分为天然石墨和人造石墨。天然石墨一般都以石墨片岩、石墨片麻岩、含石墨的片岩及变质页岩等矿石出现。而人造石墨则是以粉状的优质煅烧石油焦为原料，在其中加入沥青作为粘结剂，以及其他辅料后，压制成形，在2500~3000°C、非氧化气氛中处理，使之石墨化。

天然石墨和人造石墨，在晶体结构、组织结构、物理形态、理化性质等方面都有所差别，由此影响到了相关的应用。

石墨化度是衡量碳素物质从无定形碳通过结构重排，其晶体接近完美石墨的程度。石墨化程度的高低，可以作为是否能够成为锂离子电池负极材料的必要条件，此外石墨化程度的高低对碳负极的充放电容量也有影响等等。

石墨化度的测试可以使用X射线衍射法(XRD法)来测试。首先测定石墨(002)晶面间距d₀₀₂，然后使用富兰克林公示 (Mering-Maire公式)计算：

G = (0.3440– d₀₀₂) / (0.3440 – 0.3354) × 100%，式中G为石墨化度%，0.3440为非石墨化炭的层间距nm，0.3354为理想石墨晶体的层间距 (六方晶系石墨c轴点阵常数的一半)nm，d₀₀₂为炭材料(002)晶面的层间距nm。

需要注意的是，为了获取更精准的d₀₀₂值，通常会掺入Si粉对衍射角度进行校正，以减小误差。

岛津公司的X射线衍射仪XRD-6100，秉承日本工匠精神，做工精良，操作简便，本质安全，维护成本低，非常适用于锂电池企业及科研单位，完成石墨化度的测试及其它测试项目。

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