探討鋰電池石墨負極材料純度檢測方法

余斌

摘? 要：本文針對鋰電池采取的石墨負極開展純度檢測，將α-Al2O3作為參照物，實驗方法為：X射線衍射法，借助其衍射所得K值，以此判定石墨負極含量，作為其純度的分析基礎。實驗結果為：當石墨衍射峰大小為2θ=26.57度，α-Al2O3衍射峰大小為2θ=35.15度，即K=20.58，此數值可認定為石墨負極材料純度，并且與實際純度具有高度相似性，實驗結果為90.33%，實際純度為90%，偏差僅為0.33%。由此發現：純度檢測方法，具有簡易流程，測試時長較短，測定結果精準性較高，順應于石墨材料質檢相關要求。

關鍵詞：樣品? 儀器? 鋰電池? 檢測

中圖分類號：TM911? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2020）08（c）-0054-03

Abstract： In this paper， the purity of graphite anodes used in lithium batteries is tested， and α-Al2O3 is used as a reference. The experimental method is： X-ray diffraction method， with the help of the K value obtained by diffraction， to determine the content of graphite anodes as an analysis of its purity basis. The experimental results are as follows： when the graphite diffraction peak size is 2θ=26.57 degrees， and the α-Al2O3 diffraction peak size is 2θ=35.15 degrees， that is， K=20.58， this value can be regarded as the purity of the graphite anode material， and it is highly similar to the actual purity， the experimental result is 90.33%， the actual purity is 90%， and the deviation is only 0.33%. It was found that the purity detection method has a simple process， the test duration is shorter， and the measurement result is more accurate， which is in compliance with the relevant requirements of graphite material quality inspection.

Key Words： Sample; Instrument; Lithium battery; Detection

1? 石墨負極材料純度檢測必要性

鋰電池石墨負極材料的應用，基于其具有多重特殊性質：導電性，石墨導電性高于非金屬礦至少100倍，為鋰電池提供良好的應用性能;導熱性，石墨負極材料的導熱性強于鋼鐵等金屬元素，甚至在較高溫度條件下，石墨成為絕熱物質，為鋰電池應用提供良好的耐熱性能;石墨負極材料的熔點平均值為3850℃，沸點在4000℃以上，在高溫狀態下，電能損失較小，熱膨脹系數相應不大，為鋰電池的應用提供穩定性;石墨負極材料的化學穩定性極佳，在酸、堿、有機溶劑中，具有較強的耐腐蝕性，增強了鋰電池的相應性能;石墨負極材料的可塑性極佳，用于鋰電池中，具有便利性。鑒于石墨負極材料的多重應用優勢，由此發現：開展鋰電池石墨負極材料純度檢測，具有重要意義。如若鋰電池中石墨負極材料的含量不足，影響其應用效能，不利于其廣泛流傳。為此，開展石墨負極材料的純度檢測，為其配置相適宜的質檢流程，促進此程序規模化發展，提升鋰電池的質量保障能力，減少危險因素存在[1]。

2? 實驗

2.1 儀器與試劑

實驗應用的儀器包括：X射線衍射儀，此儀器中的X射線，具有一定穿透力，用于檢查鋰電池內部所含有的石墨負極材料，具有良好的應用效果;電子天平，此設備具有良好的稱量能力，兼具自檢系統、自主校準等裝置，保障其測量精準度;行星球磨機，作為高新技術材料的基礎性裝飾，用于微顆粒實驗研究中，研究中選擇此設備時，以油封靜音規格為首選，減少實驗室噪音污染;超聲波清洗機，具有良好的應用效果，清洗能力極佳，操作便利，減少實驗殘留物質帶來的諸多影響，提升實驗現象觀察效果;高純石墨，指含碳量高于濃度為99.99%的石墨，以此提升實驗的精準度;炭黑，是一種含碳物質;α-Al2O3作為實驗參照物。

2.2 樣品準備

樣品準備工作：樣品配比為9：1，分別稱取高純石墨、炭黑;將稱取好的兩種物質，充分混合，制成石墨樣品，純度至少為90%;設定石墨樣品為C-90%。

2.3 純度測定

強度測定方法：高純石墨、α-Al2O3稱取相同質量;稱取相同質量的無水乙醇，保持三種材料質量一致;將三種材料放置于球磨罐中，借助超聲技術，將其均勻混合;將超聲處理完成的均勻物質，逐一放置于行星球磨機中，將三種材料加以混合;混合完成，將混合物采取烘干處理，在真空環境中設定溫度為60℃;將混合物采取XRD測試技術，獲取相應的衍射圖譜;借助Highscore分析軟件，開展計算與分析;在分析軟件中，可觀察石墨、α-Al2O3兩種材料所具有的目標特征，繼而獲得兩種材料衍射峰強度，代入公式①，計算兩種材料的強度數值，此數值設定為K值。

純度計算方式：實驗樣品選定為C-90%、無水乙醇、α-Al2O3;稱取方式，三種樣品質量選擇具有一致性;并依據強度測定流程，重新實驗;強度流程中采取的實驗方法，包括材料均勻、混合、球磨與烘干;在借助強度流程分析方式，獲取C-90%、α-Al2O3兩種材料的衍射峰強度值;將計算結果代入公式①中，計算樣品C-90%、參照物α-Al2O3兩種材料所含有的石墨含量;將含量代入公式②，計算石墨純度。

公式①：K=（Cs/Cx）×（Ix/Is）;公式②：C=Cx×（m1+m2）/m1。公式中C表示待測樣品C-90%鈦酸鋰含量占比，單位%;Cx表示混合物質中待測鈦酸鋰含量占比，單位%;Cs表示混合物質中α-Al2O3含量占比，單位%;Ix表示混合物質中，待測鈦酸鋰元素的衍射積分，單位%;Is表示混合物質中，α-Al2O3衍射積分，單位%;K表示鈦酸鋰與Is的比值;m1表示待測物質C-90%重量，單位g;m2表示α-Al2O3物質重量，單位g。

3? 討論

將C-90%（待測）、α-Al2O3（參照）兩種材料，采用XRD測試方法予以確定其晶型結構，掃描范圍為[5，85]，度。參照物質α-Al2O3獲取的XRD譜圖，相比Al2O3的XRD譜圖，具有特征一致性，即2θ=35.15度。C-90%構建的XRD譜圖，圖中2θ=26.57度。此譜圖峰衍射強度較高，并未發生重疊效應，因此待測與參照兩種物質的XRD譜圖，可認定為目標特征峰[2]。

在純度測定實驗中，實驗流程重復6次，依據實驗結果，繪制混合物XRD圖譜。依據實驗過程中確定的石墨、α-Al2O3兩種物質的目標峰值為2θ=26.57度、2θ=35.15度。借助Highscore分析軟件，開展擬合計算，將數值2θ=26.57度、2θ=35.15度分別代入公式①中，分別開展6次測試，獲取α-Al2O3參比強度值，即K1=20.33，K2=20.51，K3=20.69，K4=20.45，K5=20.52，K6=20.98，計算6個K值總和，即K合=123.48，K合/6=K平均值=20.58，于是獲得K平均值為20.58。

在純度測定實驗中，實驗流程重復四次，依據實驗數據，繪制衍射圖譜。借助Highscore分析軟件，開展擬合計算，將數值2θ=26.57度、2θ=35.15度分別代入公式①中，以此計算C-90%（待測）、α-Al2O3（參照）兩種材料中石墨占比情況，再依據公式②計算，獲得4次石墨含量純度，即：Q1=88.73%、Q2=91.91%、Q3=89.27%、Q4=91.44%，4組計算結果相對標差為1.69%，平均值為：90.33%。在4次實驗中，石墨含量指數中，Q值最大為91.44%，最小為88.73%，含量浮動為2.71%。由此說明：實驗數據具有穩定性，實驗測量石墨含量的精準程度較高。平均純度數值與C-90%實際純度具有相似性，其實際純度為90%。由此發現：純度檢測方式可作為檢測石墨純度方式，測定結果具有精準性[3]。

4? 發展趨勢

負極材料的發展趨勢，鋰電池石墨負極材料具有較低效率的首次循環庫侖，要求較高的充放電應用平臺，且存在穩定性不佳問題，難以取代碳材料的應用。然而，石墨烯可作為優異材料，融合于鋰電池復合電極材料，以此發揮其更多應用效能，提升鋰電池石墨負極材料的應用范圍。復合材料有：石墨烯、天然高純石墨、碳納米管等，借助石墨烯內部的特殊結構，提升復合材料的力學屬性，增強其應用性能。與此同時，復合石墨負極材料具有較大的間距，為儲存鋰元素提供更多可能性。

5? 結語

綜上所述，以α-Al2O3為參照物質，開展石墨負極材料純度的測定試驗。在設定實驗條件中，獲取K平均值為20.58，相對標差為1.69%。此實驗流程通俗易懂，測試流程精簡，測定數據具有精準性，適用于石墨負極材料純度檢測相關工作，為鋰電池提供精準高效的質檢流程，促進其質量獲得良好保障，發揮鋰電池的應用效能，減少危險事件發生。

參考文獻

[1]張瑋.基于石墨烯的鈉離子電池負極材料研究進展[J].廣東化工，2020，47（8）：96-97.

[2] 江滔.石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用[J].內燃機與配件，2020（6）：211-212.

[3] 邵丹.鋰電池石墨負極材料純度檢測方法研究[J].化工設計通訊，2019，45（3）：147，151.

[4] 耿春燕.TiO2/石墨烯鋰電池負極材料的制備及電化學性能研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2019.

[5] 白永順. 鋰離子電池石墨烯基硅碳負極材料的制備及其性能研究[D].成都：西南石油大學，2019.

[6] 楊川寧. 鋰離子電池石墨烯基復合負極材料的合成及電化學性能研究[D].沈陽：東北大學，2017.