在锂离子电池的四大主要材料中，负极材料占据着举足轻重的地位。其比容量与工作电压这两个关键因素，犹如两把钥匙，直接掌控着电池的能量密度和工作电压这两项重要性能指标。在负极材料的发展历程中，虽然硅材料如一颗新星，已逐渐踏上产业化的征程，然而就当前的市场格局而言，石墨类负极材料依然是占据主流地位。石墨类负极材料在电池反应进程里展现出诸多独特之处，例如它具有较低的嵌锂电位。而且，在反应期间，生成的插锂层间化合物能够取代金属锂负极，如此一来便成功地避免了金属锂枝晶的沉积现象，电池的安全性也因此得到显著的提升。
随着我们逐步深入探究锂电四大主材的各个方面，现在来到了最后一个主题——石墨类材料。接下来，我们将从石墨类材料的基础知识、生产工艺、测试方法以及失效模式分析等多个维度出发，从而构建起对石墨类材料系统而直观的认识。下面先对石墨类材料的基础知识进行一个简要的阐述。
石墨类材料大致可分为人造石墨与天然石墨这两大类别。人造石墨依据加工工艺的差异，又能进一步细分为MCMB（中间相碳微球）、软碳以及硬碳等多种类型。理想的石墨呈现出层状的结构，它的每个平面类似苯环，这些层面之间靠着大π键相互连接，并且石墨具有2H型六方晶系以及3R型菱面体晶系。
就理想的石墨而言，其理论容量可达372mAh/g。不过，在实际的电池设计环节中，出于电池性能的综合考量，负极材料的用量一般会过量5% – 10%。这一设计是基于多方面因素的权衡。在首次充电时，负极表面会形成一层SEI膜。这层膜如同忠诚的卫士，守护着负极表面，有效阻止电解液与负极发生进一步的反应。而这层膜的质量优劣，恰似一把标尺，直接衡量着电池各项性能的高低。
当石墨负极中的锂离子逐渐深入嵌入（从Stage – 4到Stage – 1）的过程中，负极的表面颜色会经历一场奇妙的转变。它从最初的黑色，逐渐演变为青黑色，接着转为暗黄色，最后变为金黄。伴随着这一颜色变化，石墨负极也逐步完成了C – LiC12 – LiC6的转化，这一转化意味着充电过程的完成。
通过上图可以清晰地观察到，天然石墨与人造石墨在形貌方面存在着显著的差异。天然石墨的颗粒大小参差不齐，粒径分布较为广泛。未经任何处理的天然石墨，并不能直接充当负极材料使用，它需要经历一系列复杂而精细的加工流程后，才有可能以合适的状态应用于电池负极。与之相比，人造石墨在形貌和粒径分布方面就表现得更为匀称一致。
一般来讲，天然石墨凭借其粒径特点，具有较高的容量和压实密度，并且价格相对较为低廉。然而，它的缺点也较为明显。由于其颗粒大小的不一致性以及较多的表面缺陷，使得它与电解液的相容性较差，在使用过程中容易产生较多的副反应。而人造石墨则表现得较为均衡，它不仅拥有良好的循环性能，而且与电解液的相容性较好，只是在价格方面会比天然石墨稍高一些。
在负极材料的研究与应用体系中，有一个概念经常被提及，那就是取向度，也就是所谓的OI值。这个看似简单的数值，却像一把精密的刻度尺，在多个关键方面深刻影响着负极材料的性能。它直接决定着负极与电解液之间的浸润程度，影响着负极表面的阻抗大小，对大倍率充放电性能有着不可忽视的影响。同时，取向度也如同一个指挥棒，指引着负极在循环过程中的膨胀行为，直接关系到负极结构的稳定性和性能的持续性。具体而言，取向度是通过公式“取向度 = I（004）/I（110）”计算而来，并且这一数值能够通过XRD数据准确地计算出来。
通过观察相关的实验图表可以发现一个有趣的现象：随着取向度数值的降低，负极大倍率充电的能力呈现出逐渐提升的趋势，并且最终会达到一个相对稳定的数值。这个稳定值意味着在这个阶段，负极在面对大倍率充电时的性能已经达到了一个相对平衡的状态。
除了取向度这一关键因素外，石墨负极的形貌对电池性能的影响同样不容小觑。从微观角度来看，球形石墨颗粒之间的接触相较于不规则石墨颗粒而言，存在明显的劣势。这种劣势直观地反映在电池的阻抗上，球形石墨颗粒组成的负极具有较大的阻抗。这一现象为材料的设计提供了一个明确的方向。研究人员致力于探索如何优化颗粒大小，确保颗粒之间实现面接触，增大接触面积，从而达到降低接触阻抗的目的。通过这种方式，可以有效降低电池在充放电过程中的极化现象，提高电池的整体性能。
值得一提的是，材料本身的包覆状态也是影响负极性能的一个关键因素。在石墨负极材料的实际应用中，往往会采用包覆无定型碳材料的方式。这种包覆能够像一层巧妙的“外衣”，有效地改善负极的界面阻抗，从而提升电池在低温环境下的性能，增强电池的循环寿命和整体性能。
随着对电池能量密度要求日益提高，石墨负极的容量利用率也在不断逼近其理论极限值。与此同时，电池在充放电过程中的压实程度也越来越高。这种变化对石墨负极的稳定性提出了更高的要求。在当前的技术体系中，掺杂和包覆依然是在这一领域占主流地位的技术手段。经过掺杂和包覆处理后，石墨负极在循环过程中，其内部的微观结构以及表面的物理化学状态能够得到有效的保护，从而显著增强了循环的稳定性。
此外，通过引入金属元素以及非金属元素，也能够从多个角度显著改善石墨负极的性能。这些元素的引入就像一把把“魔法钥匙”，能够从不同的微观层面调控负极材料的电学、化学性质，进一步优化电池的整体性能，为未来高性能锂离子电池的开发与应用打开新的可能性。
