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。
鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。
石墨作為負(fù)極材料的優(yōu)勢(shì)
石墨是碳的同素異形體，二者緊密相關(guān)。石墨是碳元素最穩(wěn)定的存在形式。(金剛石是碳的一種亞穩(wěn)態(tài)同素異形體，雖然它的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨，是自然界中硬度最高的物質(zhì)，但它的穩(wěn)定性卻低于石墨。)
“石墨”一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)“graphein”，該材料耐高溫，耐腐蝕，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的化學(xué)性能，同時(shí)比鋁要輕。除了用作鋰離子電池的負(fù)極材料外，優(yōu)質(zhì)的石墨還可用于燃料電池、太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體、發(fā)光二極管以及核反應(yīng)堆等不同領(lǐng)域。
總的來(lái)說(shuō)，石墨具備電子電導(dǎo)率高、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)，已成為目前主流的商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料。
石墨的獲取方式
獲取石墨的方式有兩種：一是天然礦石，二是煤焦油的合成。而鋰離子電池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨與45%低純度的天然石墨調(diào)和制備的。
生產(chǎn)廠家曾經(jīng)一度青睞合成石墨，因?yàn)楹铣墒木恍院图兌纫獌?yōu)于天然石墨?，F(xiàn)在卻不一樣，現(xiàn)代化學(xué)提純方法的應(yīng)用使得經(jīng)熱處理可獲得99.9%純度的天然石墨。相比之下，合成石墨的純度為99%，因而前者更受歡迎。
與合成石墨相比，經(jīng)過(guò)提純的天然片狀石墨有更高的結(jié)晶度，表現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。此外，天然石墨有望降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，同時(shí)還能獲得同等甚至更優(yōu)異的電池性能。
可以預(yù)計(jì)的是合成石墨終將被替代，未來(lái)屬于更便宜更環(huán)保的天然石墨，而以天然石墨為原料合成的石墨烯，更將大展身手。
石墨的嵌鋰機(jī)理
石墨導(dǎo)電性好，結(jié)晶程度高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，十分適合鋰離子的反復(fù)嵌入-脫嵌，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的負(fù)極材料。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），反應(yīng)式為：xLi++6C+xe-→LixC6
鋰離子嵌入使石墨層與層之間的堆積方式由ABAB變?yōu)?/span>AAAA，如下圖所示。
石墨的改性處理
由于石墨層間距（d≤0.34nm）小于石墨嵌鋰化合物LixC6的晶面層間距（0.37nm），致使在充放電過(guò)程中，石墨層間距改變，易造成石墨層剝落、粉化，還會(huì)發(fā)生鋰離子與有機(jī)溶劑分子共同嵌入石墨層及有機(jī)溶劑分解，進(jìn)而影響電池循環(huán)性能。
通過(guò)石墨改性，如在石墨表面氧化、包覆聚合物熱解炭，形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合石墨，可以改善石墨的充放電性能，提高比容量。
其它負(fù)極材料
目前，石墨是主流的商業(yè)化鋰電負(fù)極材料，它的理論克容量為372mAh/g，市面上性能較好的石墨負(fù)極材料已經(jīng)能達(dá)到360mAh/g，克容量逐漸趨于極限值。雖然石墨作為負(fù)極材料具有克容量較低、循環(huán)性偏差等劣勢(shì)，但鑒于石墨類負(fù)極材料的高性價(jià)比，其不會(huì)立即被新型材料取代，具體原因如下：
1.新型負(fù)極材料技術(shù)不成熟，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行性能改進(jìn)；
2.新型負(fù)極材料的價(jià)格較高，石墨類負(fù)極的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯；
3.負(fù)極材料需要與正極材料、電解液等搭配使用，而目前正極材料的比容量普遍較低。