石墨检测方法及参考标准-锂离子电池负极材料

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石墨检验检测

石墨作为一种重要的非金属矿产资源，具有导电性、导热性、润滑性、可塑性和耐高温性等五大特性，使得它在工业上有广泛的应用。在本节中，将重点介绍石墨在锂离子电池领域的应用，以及相关的检测标准和方法。

锂离子电池

锂离子电池是一种以锂离子为主要活性物质的二次电池。锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、无记忆效应、环保等优点，是目前最先进的可充电电池之一。

锂离子电池的主要组成部分有正极、负极、隔膜和电解液。正极材料通常是含锂的金属氧化物或磷酸盐，如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等；负极材料通常是碳材料或锂金属，如石墨、硬碳、软碳等；隔膜是一种具有微孔结构的聚合物薄膜，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等；电解液是一种含有锂盐的有机溶剂，如乙酸乙酯（EC）、二甲亚碳酸甲酯（DMC）、二甲亚碳酸乙酯（DEC）等。

锂离子电池的工作原理是利用锂离子在正极和负极之间的嵌入和脱出来实现充放电过程。当电池充电时，锂离子从正极脱出，经过隔膜和电解液到达负极，并嵌入负极材料中；当电池放电时，锂离子从负极脱出，经过隔膜和电解液到达正极，并嵌入正极材料中。同时，伴随着锂离子的运动，还有相应的电子在外部回路中流动，形成电流。

1 石墨作为负极材料

石墨是目前最常用的锂离子电池负极材料之一。石墨具有层状结构，每一层由六边形排列的碳原子组成。层与层之间通过范德华力相连，形成层间距。这些层间距可以容纳大量的锂离子，并且不会造成体积的显著变化。

石墨作为负极材料的优点有：

（1）容量高：理论上，每个碳原子可以嵌入一个锂原子，形成LiC6化合物，其比容量可达372 mAh/g。

（2）循环寿命长：由于石墨嵌入和脱出锂离子时体积变化小，因此不会造成结构的损坏，从而保证了循环寿命的长久。

（3）成本低：石墨是一种丰富的自然资源，其价格相对较低，有利于降低锂离子电池的成本。

石墨作为负极材料的缺点有：

（1）电压低：石墨嵌入锂离子时的平台电压约为0.1 V，这意味着锂离子电池的输出电压会受到限制。

（2）安全性差：由于石墨的导电性和导热性较好，如果电池发生短路或过充等故障，可能会引起石墨的过热或着火，造成安全隐患。

为了克服石墨的缺点，人们在研究和开发其他类型的负极材料，如硅、锡、氮化碳等。这些材料具有更高的比容量，但也存在着体积变化大、循环寿命短等问题。因此，目前还没有一种负极材料能够完全取代石墨。

根据GB/T 24533-2019标准，作为负极材料的石墨典型技术指标见下表

2 石墨检测标准和方法

由于石墨作为锂离子电池负极材料的性能直接影响着电池的性能，因此对石墨的检测是非常重要的。为了保证石墨的质量和一致性，我国制定了《锂离子电池石墨类负极材料》（GB/T 24533-2019）标准，规定了石墨类负极材料的术语和定义、分类和标记、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容。

2.1 石墨检测介绍

在本节中，将详细介绍检测项目的含义、目的、方法和结果。根据《锂离子电池石墨类负极材料》（GB/T 24533-2019）标准，以及其他相关的标准和文献，为您提供最权威和最专业的信息。

2.2 水分

水分是指石墨类负极材料中所含的水分，包括吸附水、结晶水和化合水等。水分是影响石墨类负极材料性能的重要因素之一，与石墨的氧化、腐蚀、电阻、嵌锂能力等密切相关。

水分的检测方法是用烘箱法对石墨类负极材料进行干燥，并测量其重量变化。水分的结果应符合以下要求：

（1）水分应符合上述表格。

（2）水分应均匀分布，无明显的局部聚集或偏差。

（3）水分应稳定，无明显的波动或变化。

水分检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是保证石墨质量和安全性的必要条件。水分检测可以反映石墨的干燥工艺和贮存条件，也可以影响石墨的化学稳定性和电化学性能。

2.3 pH值

pH值是指石墨类负极材料中溶液的酸碱度，用以表示溶液中氢离子浓度的对数值。pH值是影响石墨类负极材料性能的重要因素之一，与石墨的氧化、腐蚀、电阻、嵌锂能力等密切相关。

pH值的检测方法是用玻璃电极法对石墨类负极材料进行测量，并得到其pH值。pH值的结果应符合以下要求：

（1）pH应符合上述表格。

（2）pH值应均匀分布，无明显的局部偏高或偏低。

（3）pH值应稳定，无明显的波动或变化。

pH值检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是保证石墨质量和安全性的必要条件。pH值检测可以反映石墨的酸碱平衡和缓冲能力，也可以影响石墨的化学稳定性和电化学性能。

2.4 固定碳含量

固定碳含量是指石墨类负极材料中所含的碳元素占总质量的百分比。固定碳含量是反映石墨类负极材料纯度和结构的重要指标之一，与石墨的比容量、循环寿命、嵌锂能力等密切相关。

固定碳含量的检测方法是用燃烧法对石墨类负极材料进行分析，并得到其固定碳含量。固定碳含量的结果应符合以下要求：

（1）固定碳含量应尽量提高，一般不低于99.5%。

（2）固定碳含量应均匀分布，无明显的局部偏高或偏低。

（3）固定碳含量应稳定，无明显的波动或变化。

固定碳含量检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是评价石墨质量和等级的重要依据。固定碳含量检测可以反映石墨的纯度和结构，也可以影响石墨的电化学性能和循环寿命。

2.5 比表面积

比表面积是指石墨类负极材料单位质量所具有的表面积。比表面积是反映石墨类负极材料形貌和结构的重要指标之一，与石墨的密度、电阻、嵌锂能力等密切相关。

比表面积的检测方法是用氮气吸附法对石墨类负极材料进行分析，并得到其比表面积。比表面积的结果应符合以下要求：

（1）比表面积应根据不同的用途和要求进行调节。

（2）比表面积应均匀分布，无明显的局部偏高或偏低。

（3）比表面积应稳定，无明显的波动或变化。

比表面积检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是优化石墨性能和工艺参数的关键依据。比表面积检测可以反映石墨的形貌和结构，也可以影响石墨的电化学性能和循环寿命。

2.6 真密度

真密度是指石墨类负极材料单位体积所具有的质量。真密度是反映石墨类负极材料结构紧密程度和孔隙率的重要指标之一，与石墨的比容量、循环寿命、嵌锂能力等密切相关。

真密度的检测方法是用氦气比重计法对石墨类负极材料进行分析，并得到其真密度。真密度的结果应符合以下要求：

（1）真密度应尽量提高，一般在2.1～2.3 g/cm3之间。

（2）真密度应均匀分布，无明显的局部偏高或偏低。

（3）真密度应稳定，无明显的波动或变化。

真密度检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是评价石墨结构和质量的重要依据。真密度检测可以反映石墨的结构紧密程度和孔隙率，也可以影响石墨的电化学性能和循环寿命。

2.7 微量金属元素

微量金属元素是指石墨类负极材料中所含的少量的金属元素，如铁、镍、铜、锰等。微量金属元素是影响石墨类负极材料性能的重要因素之一，与石墨的氧化、腐蚀、电阻、嵌锂能力等密切相关。

微量金属元素的检测方法是用原子吸收光谱法或原子荧光光谱法或感应耦合等离子体发射光谱法或感应耦合等离子体质谱法对石墨类负极材料进行分析，并得到其微量金属元素含量。微量金属元素的结果应符合以下要求：

（1）微量金属元素含量应尽量降低，一般不超过各自的限值。

（2）微量金属元素含量应均匀分布，无明显的局部偏高或偏低。

（3）微量金属元素含量应稳定，无明显的波动或变化。

微量金属元素检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是保证石墨质量和安全性的必要条件。微量金属元素检测可以反映石墨的杂质含量和来源，也可以影响石墨的化学稳定性和电化学性能。

2.8 氟离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根例子、溴离子指标

氟离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根例子、溴离子是指石墨类负极材料中所含的少量的阴离子，如F-、Cl-、SO42-、NO3-、Br-等。这些阴离子是影响石墨类负极材料性能的重要因素之一，与石墨的氧化、腐蚀、电阻、嵌锂能力等密切相关。

这些阴离子的检测方法是用离子色谱法对石墨类负极材料进行分析，并得到其阴离子含量。这些阴离子的结果应符合以下要求：

（1）阴离子含量应尽量降低，一般不超过各自的限值。

（2）阴离子含量应均匀分布，无明显的局部偏高或偏低。

（3）阴离子含量应稳定，无明显的波动或变化。

阴离子检测是石墨类负极材料检测的重要项目，也是保证石墨质量和安全性的必要条件。这些阴离子检测可以反映石墨的杂质含量和来源，也可以影响石墨的化学稳定性和电化学性能。

3 总结

（1）根据GB/T 24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》检测标准共有11个，分别是外观、粒度分布、水分、pH值、固定碳含量、比表面积、真密度、层间距d002和石墨化度、石墨取向性、首次库伦效率、首次放电比容量、微量金属元素、氟离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根例子、溴离子指标和硫含量。

（2）检测项目涵盖了石墨类负极材料的外观特征、形貌结构、化学成分、物理性质和电化学性能等方面，是评价石墨类负极材料性能和质量的重要依据。

（3）检测项目的方法主要有目视检查、激光粒度仪、烘箱法、玻璃电极法、燃烧法、氮气吸附法、氦气比重计法、X射线衍射法、恒流充放电法、原子吸收光谱法或原子荧光光谱法或感应耦合等离子体发射光谱法或感应耦合等离子体质谱法和离子色谱法等。

（4）检测结果结果应符合《锂离子电池石墨类负极材料》（GB/T 24533-2019）标准中规定的技术要求，具体要求见上述表格。

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