鋰離子電池是指以兩種不同的能夠可逆地嵌入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負(fù)極的二次電池體系。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入到正極中。

負(fù)極材料是鋰離子電池的四大關(guān)鍵材料之一，約占整個(gè)電芯成本的15%。石墨由于具備電子電導(dǎo)率高、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)大、層狀結(jié)構(gòu)在嵌鋰前后體積變化小、嵌鋰容量高和嵌鋰電位低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主流的商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料。

石墨的嵌鋰機(jī)理大致為，鋰離子嵌入石墨層間后，形成嵌鋰化合LixC6(0≤x≤1），理論容量可達(dá)372mAh/g(x=1)。

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石墨的晶體結(jié)構(gòu)

石墨的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)P63/mmm空間群，具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征。在石墨層面內(nèi)，碳原子呈六角形排列并向二維方向延伸，層面間每個(gè)碳原子與其相鄰的三個(gè)碳原子以sp2雜化的強(qiáng)σ鍵結(jié)構(gòu)形式存在，結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定；在石墨層與層之間，碳—碳之間僅以弱的范德華力(VanderWaals)結(jié)合，層面間距大約為0.34nm，由于石墨層間的結(jié)合力薄弱，且空間較大，容易插入其它金屬或非金屬分子、原子、離子或離子團(tuán)，形成石墨層間化合物。

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石墨的分類

石墨可以分為天然石墨和人造石墨。天然石墨一般都以石墨片巖、石墨片麻巖、含石墨的片巖及變質(zhì)頁(yè)巖等礦石出現(xiàn)。而人造石墨則是以粉狀的優(yōu)質(zhì)煅燒石油焦為原料，在其中加入瀝青作為粘結(jié)劑，以及其他輔料后，壓制成形，在2500~3000°C、非氧化氣氛中處理，使之石墨化。

天然石墨和人造石墨，在晶體結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、物理形態(tài)、理化性質(zhì)等方面都有所差別，由此影響到了相關(guān)的應(yīng)用。

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石墨化度及其測(cè)試

石墨化度是衡量碳素物質(zhì)從無(wú)定形碳通過(guò)結(jié)構(gòu)重排，其晶體接近完美石墨的程度。石墨化程度的高低，可以作為是否能夠成為鋰離子電池負(fù)極材料的必要條件，此外石墨化程度的高低對(duì)碳負(fù)極的充放電容量也有影響等等。

石墨化度的測(cè)試可以使用X射線衍射法(XRD法)來(lái)測(cè)試。首先測(cè)定石墨(002)晶面間距d002，然后使用富蘭克林公示(Mering-Maire公式)計(jì)算：

G=(0.3440–d002)/(0.3440–0.3354)×100%，式中G為石墨化度%，0.3440為非石墨化炭的層間距nm，0.3354為理想石墨晶體的層間距(六方晶系石墨c軸點(diǎn)陣常數(shù)的一半)nm，d002為炭材料(002)晶面的層間距nm。

需要注意的是，為了獲取更精準(zhǔn)的d002值，通常會(huì)摻入Si粉對(duì)衍射角度進(jìn)行校正，以減小誤差。

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島津提供的解決方案

島津公司的X射線衍射儀XRD-6100，秉承日本工匠精神，做工精良，操作簡(jiǎn)便，本質(zhì)安全，維護(hù)成本低，非常適用于鋰電池企業(yè)及科研單位，完成石墨化度的測(cè)試及其它測(cè)試項(xiàng)目。