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一、背景 

在鋰電池材料的研究中，硅碳材料因其高理論比容量成為提升電池能量密度的熱門選擇。硅碳單顆粒的力學(xué)性能，尤其是抗壓性，對(duì)電池整體性能有著復(fù)雜且關(guān)鍵的影響，過高或過低的抗壓性都不利于電池的綜合性能提升。因此，在硅碳材料的研發(fā)和應(yīng)用中，需要通過精確的單顆粒力學(xué)性能測(cè)試，找到抗壓性與其它性能之間的最佳平衡點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電池在能量密度、循環(huán)壽命、充放電效率等多方面的優(yōu)化。

二、測(cè)試設(shè)備與方法 

元能科技推出的單顆粒力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)SPFT，為硅碳顆粒的力學(xué)特性提供了精準(zhǔn)、高效的表征手段。SPFT設(shè)備能夠高精度地控制位移和測(cè)量壓力，從而精確采集壓頭加載到單個(gè)顆粒上的壓力-位移曲線。另外，SPFT采用底部光學(xué)系統(tǒng)成像的方式，測(cè)試軟件中可同步記錄顆粒被壓縮、變形、壓潰的整個(gè)畫面。

本文通過SPFT1000設(shè)備對(duì)不同粒徑的不規(guī)則硅碳顆粒、球形顆粒進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，揭示它們的力學(xué)性能差異。測(cè)試過程遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化步驟：首先，通過乙醇分散制樣，確保顆粒的均勻分布；然后，利用光學(xué)顯微鏡定位單個(gè)分散顆粒；接著，配置實(shí)驗(yàn)參數(shù)并執(zhí)行壓縮測(cè)試；測(cè)試過程中，觀察并記錄顆粒在壓縮前后的形態(tài)變化。每個(gè)樣品通常測(cè)試10個(gè)以上的顆粒，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和統(tǒng)計(jì)意義。

圖1. (左) SPFT設(shè)備；(右) 光學(xué)系統(tǒng)底視圖

三、結(jié)果分析 

1、不同尺寸的硅碳顆粒（形貌不規(guī)則）

圖2. 四款不同工藝的硅碳的單顆粒壓縮曲線

A/B/C/D為四款由不同工藝合成的不同尺寸的硅碳材料顆粒，A/B/C/D的顆粒尺寸依次增大。它們的單顆粒測(cè)試結(jié)果如圖2、3所示。通過結(jié)果可以看出，同一個(gè)樣品不同顆粒平行測(cè)試的結(jié)果不盡相同，但匯總數(shù)據(jù)仍能反映出樣品之間的差異。A/B/C的平均壓潰力（Fyk）依次增大，D的顆粒尺寸最大，平均壓潰力反而最小。而且，A/B/D的較多單顆粒壓縮曲線中表現(xiàn)出小臺(tái)階（波紋或鋸齒狀變化），而C相對(duì)較少且不明顯。參照先前的分析詳見：微觀力量：鋰電材料的單顆粒壓縮特性，可以認(rèn)為C材料的顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)更連續(xù)、均質(zhì)，缺陷較少，壓縮過程中應(yīng)力傳遞更穩(wěn)定，表現(xiàn)為更高的壓潰力和更平滑的應(yīng)力-位移曲線。

圖3. 四款不同工藝的硅碳顆粒的單顆粒壓前壓后圖（左，節(jié)選）和壓潰力分布圖（右）

2、不同形貌的硅碳顆粒（不規(guī)則和球形）

圖4. 四款不同工藝/形貌的硅碳的單顆粒壓縮曲線

M/N/P/Q為四款由不同工藝合成的不同尺寸、不同形貌的硅碳材料顆粒。其中，N/Q為球形顆粒，N顆粒平均尺寸最大，Q顆粒平均尺寸最小。它們的單顆粒測(cè)試結(jié)果如圖4、5所示。通過結(jié)果可以看出，同一個(gè)樣品不同顆粒平行測(cè)試的結(jié)果不盡相同，但匯總數(shù)據(jù)仍能反映出樣品之間的差異。球形顆粒N/Q的壓縮曲線和上述C樣品一樣，比較平滑，證明它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)連續(xù)性較好，缺陷較少；另外，N/Q曲線的壓潰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值和位移值分布上相對(duì)會(huì)更集中些，這和形貌的規(guī)則度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能直接相關(guān)。Q雖然平均尺寸最小，但是平均壓潰力（Fyk）、抗壓強(qiáng)度（Pcs）最大（N尺寸最大且是球形，但抗壓強(qiáng)度卻不是最大），說明顆粒的抗壓性不由顆粒的尺寸和形貌直接決定，也和合成工藝緊密相關(guān)。

圖5. 四款不同工藝/形貌的硅碳的單顆粒壓前壓后圖（左，節(jié)選）和壓潰力/抗壓強(qiáng)度分布圖（右）

一般來說，同類材料中，球形硅碳因表面光滑、結(jié)構(gòu)均勻可能相比非球形硅碳可能擁有更高的壓潰力，但是非球形顆粒（如多孔硅碳、核殼結(jié)構(gòu)）通過孔道或碳層包裹（物理限域效應(yīng)）抑制體積膨脹。所以，它們可能性能上會(huì)有差異，適配不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

四、小結(jié)

IEST元能科技的單顆粒力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)（SPFT），已經(jīng)助力超50家硅碳企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室的600+硅碳類樣品測(cè)試。通過單顆粒層級(jí)力學(xué)性能的表征，研發(fā)人員可以對(duì)不同工藝（如核殼結(jié)構(gòu)、多孔硅碳）和類型（球形/非球形）的硅碳材料的力學(xué)性能有更全面的理解，進(jìn)而推動(dòng)高性能硅碳負(fù)極材料的研發(fā)進(jìn)程。