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。硅碳單顆粒的力學性能，尤其是抗壓性，對電池整體性能有著復雜且關鍵的影響，過高或過低的抗壓性都不利于電池的綜合性能提升。因此，在硅碳材料的研發和應用中，需要通過精確的單顆粒力學性能測試，找到抗壓性與其它性能之間的最佳平衡點，以實現電池在能量密度、循環壽命、充放電效率等多方面的優化。

二、測試設備與方法 

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

本文通過SPFT1000設備對不同粒徑的不規則硅碳顆粒、球形顆粒進行對比測試，揭示它們的力學性能差異。測試過程遵循嚴格的標準化步驟：首先，通過乙醇分散制樣，確保顆粒的均勻分布；然后，利用光學顯微鏡定位單個分散顆粒；接著，配置實驗參數并執行壓縮測試；測試過程中，觀察并記錄顆粒在壓縮前后的形態變化。每個樣品通常測試10個以上的顆粒，以確保數據的可靠性和統計意義。

圖1. (左) SPFT設備；(右) 光學系統底視圖

三、結果分析 

1、不同尺寸的硅碳顆粒（形貌不規則）

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。它們的單顆粒測試結果如圖2、3所示。通過結果可以看出，同一個樣品不同顆粒平行測試的結果不盡相同，但匯總數據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出小臺階（波紋或鋸齒狀變化），而C相對較少且不明顯。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，可以認為C材料的顆粒內部結構更連續、均質，缺陷較少，壓縮過程中應力傳遞更穩定，表現為更高的壓潰力和更平滑的應力-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，節選）和壓潰力分布圖（右）

2、不同形貌的硅碳顆粒（不規則和球形）

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。它們的單顆粒測試結果如圖4、5所示。通過結果可以看出，同一個樣品不同顆粒平行測試的結果不盡相同，但匯總數據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，證明它們的內部結構連續性較好，缺陷較少；另外，N/Q曲線的壓潰點對應的應力值和位移值分布上相對會更集中些，這和形貌的規則度、內部結構可能直接相關。Q雖然平均尺寸最小，但是平均壓潰力（Fyk）、抗壓強度（Pcs）最大（N尺寸最大且是球形，但抗壓強度卻不是最大），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。

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

一般來說，同類材料中，球形硅碳因表面光滑、結構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、核殼結構）通過孔道或碳層包裹（物理限域效應）抑制體積膨脹。所以，它們可能性能上會有差異，適配不同的應用場景。

四、小結

IEST元能科技的單顆粒力學性能測試系統（SPFT），已經助力超50家硅碳企業和實驗室的600+硅碳類樣品測試。通過單顆粒層級力學性能的表征，研發人員可以對不同工藝（如核殼結構、多孔硅碳）和類型（球形/非球形）的硅碳材料的力學性能有更全面的理解，進而推動高性能硅碳負極材料的研發進程。