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不同硬碳材料的抗壓性能對比

利電 2025-07-12 | 閱讀：32

01、前言

硬碳是一種結(jié)構(gòu)特殊的碳材料，在鋰電池負極領(lǐng)域備受關(guān)注。與常見的石墨負極相比，硬碳內(nèi)部呈現(xiàn)無序排列的層狀結(jié)構(gòu)，且存在大量微小孔洞，這種松散的結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了更多嵌入通道，使得電池充電速度更快，尤其在低溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定性能。其獨特的儲鋰機制（一部分鋰儲存在層間，另一部分儲存在孔隙中）讓它的儲鋰容量比傳統(tǒng)石墨更高，更適合制造高容量電池。此外，硬碳在反復(fù)充放電時幾乎不會明顯膨脹，避免了電極開裂或粉化的問題，大幅延長了電池壽命。目前這類材料多通過高溫處理椰子殼、堅果殼等天然生物質(zhì)獲得，原料來源環(huán)保且成本可控。隨著電動汽車和儲能設(shè)備對快充、耐低溫電池的需求增長，硬碳負極展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景，但如何進一步提升性能穩(wěn)定性并降低生產(chǎn)成本仍是推廣的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

硬碳作為鋰電池負極材料，其單顆粒強度對電池性能具有關(guān)鍵影響。高機械強度的硬碳顆粒能夠有效抵御充放電過程中的體積膨脹，防止顆粒破碎導(dǎo)致的活性物質(zhì)粉化。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可維持電極完整性，避免導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷裂和SEI膜的反復(fù)破裂再生，從而減少活性鋰損耗和電解液分解，顯著提升循環(huán)壽命。同時，完整顆粒能保持更優(yōu)的離子/電子傳輸通道，使電池在高倍率充放電時仍保持較高容量保持率。此外，減少微裂紋產(chǎn)生可降低局部電流密度，抑制鋰枝晶形成，提升電池安全性。

為探究不同硬碳的抗壓性能，本次實驗采用蘇州利電的PMNS-100粉末壓潰測試系統(tǒng)，對三款不同的硬碳樣品進行測試。

02、測試方案

①測試樣品：硬碳；

②測試參數(shù)：挑選粒徑在8-10μm的單個顆粒進行加壓測試。

03、測試結(jié)果分析

圖1：三款硬碳樣品耐壓性能應(yīng)力應(yīng)變曲線&散點圖

圖2：樣品壓潰前后圖

由應(yīng)力應(yīng)變曲線圖和散點圖可知，3款硬碳樣品在壓潰過程中表現(xiàn)出一定差異，且壓潰力大小分布呈現(xiàn)為：樣品③>樣品②>樣品①。在顆粒壓縮初始階段，會發(fā)生彈塑性形變，呈現(xiàn)出彈性特性。隨著壓縮過程推進，當顆粒破碎時，便達到了其壓潰點，此時對應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值被稱作壓潰力，該數(shù)值表征顆粒在此應(yīng)力作用下發(fā)生壓潰或失效。顆粒破碎后，大量內(nèi)應(yīng)力得以釋放，應(yīng)力值隨之急劇下降，直至壓頭將破碎的顆粒與載玻片完全壓實貼合。此后，由于壓頭直接作用于載玻片基底，后端應(yīng)力應(yīng)變曲線會按照特定規(guī)律再次上升。

04、結(jié)論

硬碳單顆粒強度是提升鋰電池性能的關(guān)鍵指標之一。高強度的硬碳顆粒在充放電過程中能有效抵抗機械應(yīng)力和體積膨脹，避免因顆粒破碎導(dǎo)致的活性物質(zhì)失效、電解液持續(xù)分解等問題，從而顯著提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。同時，穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)可維持電極完整性，減少鋰離子傳輸阻力，保障高倍率充放電性能。這一特性對開發(fā)長壽命快充電池尤為重要，尤其在硅碳復(fù)合負極等新型材料體系中，硬碳作為緩沖基體的強度直接決定電極抗衰減能力。

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