一、背景 

在锂电池材料的研究中，硅碳材料因其高理论比容量成为提升电池能量密度的热门选择。硅碳单颗粒的力学性能，尤其是抗压性，对电池整体性能有着复杂且关键的影响，过高或过低的抗压性都不利于电池的综合性能提升。因此，在硅碳材料的研发和应用中，需要通过精确的单颗粒力学性能测试，找到抗压性与其它性能之间的最佳平衡点，以实现电池在能量密度、循环寿命、充放电效率等多方面的优化。

二、测试设备与方法 

元能科技推出的单颗粒力学性能测试系统SPFT，为硅碳颗粒的力学特性提供了精准、高效的表征手段。SPFT设备能够高精度地控制位移和测量压力，从而精确采集压头加载到单个颗粒上的压力-位移曲线。另外，SPFT采用底部光学系统成像的方式，测试软件中可同步记录颗粒被压缩、变形、压溃的整个画面。

本文通过SPFT1000设备对不同粒径的不规则硅碳颗粒、球形颗粒进行对比测试，揭示它们的力学性能差异。测试过程遵循严格的标准化步骤：首先，通过乙醇分散制样，确保颗粒的均匀分布；然后，利用光学显微镜定位单个分散颗粒；接着，配置实验参数并执行压缩测试；测试过程中，观察并记录颗粒在压缩前后的形态变化。每个样品通常测试10个以上的颗粒，以确保数据的可靠性和统计意义。

图1. (左) SPFT设备；(右) 光学系统底视图

三、结果分析 

1、不同尺寸的硅碳颗粒（形貌不规则）

图2. 四款不同工艺的硅碳的单颗粒压缩曲线

A/B/C/D为四款由不同工艺合成的不同尺寸的硅碳材料颗粒，A/B/C/D的颗粒尺寸依次增大。它们的单颗粒测试结果如图2、3所示。通过结果可以看出，同一个样品不同颗粒平行测试的结果不尽相同，但汇总数据仍能反映出样品之间的差异。A/B/C的平均压溃力（Fyk）依次增大，D的颗粒尺寸最大，平均压溃力反而最小。而且，A/B/D的较多单颗粒压缩曲线中表现出小台阶（波纹或锯齿状变化），而C相对较少且不明显。参照先前的分析详见：微观力量：锂电材料的单颗粒压缩特性，可以认为C材料的颗粒内部结构更连续、均质，缺陷较少，压缩过程中应力传递更稳定，表现为更高的压溃力和更平滑的应力-位移曲线。

图3. 四款不同工艺的硅碳颗粒的单颗粒压前压后图（左，节选）和压溃力分布图（右）

2、不同形貌的硅碳颗粒（不规则和球形）

图4. 四款不同工艺/形貌的硅碳的单颗粒压缩曲线

M/N/P/Q为四款由不同工艺合成的不同尺寸、不同形貌的硅碳材料颗粒。其中，N/Q为球形颗粒，N颗粒平均尺寸最大，Q颗粒平均尺寸最小。它们的单颗粒测试结果如图4、5所示。通过结果可以看出，同一个样品不同颗粒平行测试的结果不尽相同，但汇总数据仍能反映出样品之间的差异。球形颗粒N/Q的压缩曲线和上述C样品一样，比较平滑，证明它们的内部结构连续性较好，缺陷较少；另外，N/Q曲线的压溃点对应的应力值和位移值分布上相对会更集中些，这和形貌的规则度、内部结构可能直接相关。Q虽然平均尺寸最小，但是平均压溃力（Fyk）、抗压强度（Pcs）最大（N尺寸最大且是球形，但抗压强度却不是最大），说明颗粒的抗压性不由颗粒的尺寸和形貌直接决定，也和合成工艺紧密相关。

图5. 四款不同工艺/形貌的硅碳的单颗粒压前压后图（左，节选）和压溃力/抗压强度分布图（右）

一般来说，同类材料中，球形硅碳因表面光滑、结构均匀可能相比非球形硅碳可能拥有更高的压溃力，但是非球形颗粒（如多孔硅碳、核壳结构）通过孔道或碳层包裹（物理限域效应）抑制体积膨胀。所以，它们可能性能上会有差异，适配不同的应用场景。

四、小结

IEST元能科技的单颗粒力学性能测试系统（SPFT），已经助力超50家硅碳企业和实验室的600+硅碳类样品测试。通过单颗粒层级力学性能的表征，研发人员可以对不同工艺（如核壳结构、多孔硅碳）和类型（球形/非球形）的硅碳材料的力学性能有更全面的理解，进而推动高性能硅碳负极材料的研发进程。