出口管制風險下的石墨替代技術新視野

图一：人造石墨与天然石墨的生产流程（source：作者自行绘制）

【作者： 芮嘉玮博士】

中国实施战略资源出口管制，旨在保护国家安全和利益。中国商务部、海关总署于2023年10月20日宣布，自2023年12月1日起将对特定石墨物项实施出口管制，冲击诸多产业原物料市场，电动车、电池产业遭严峻波及。

电动车主要动力来源是电池，而石墨（Graphite）是电动车动力来源电池的关键原材料，自20世纪80年代成功开发后，石墨一直是锂离子电池（简称锂电池）的负极材料的主流。

石墨用于锂电池负极产业现状

一、石墨的生产流程

石墨负极的生产流程长，制作过程有多道程序，且不同企业的生产流程存在一定差异。石墨分为天然石墨（Natural Graphite；NG）与人造石墨（Artificial graphite；AG）两大类，天然石墨是开采后提纯，人造石墨是对原油精炼的副产品再进行加工而来，其生产流程有明显差异（图一）。

人造石墨生产流程主要分为破碎、造粒、石墨化和筛分四大环节，造粒和石墨化是电动车电池人造石墨负极材料的两大技术关键，其中石墨化是利用热活化（使用高温热处理）将热力学不稳定的六角碳原子由无序二维结构转化为具有石墨晶体有序结构的转化过程，即使用高温热处理对原子重排及结构转变提供能量。天然石墨生产流程主要分为提纯、改性、混合、碳化等四道制作工序，由于不涉及石墨化，因此生产成本较人造石墨具有优势，但这种成本优势无法弥补最终产品性能不足的问题。

二、搞懂锂电池充放电

电极是电池负责传导电子的零件。化学定义阳极（Anode）是发生氧化反应的电极，故又称为氧化极，即失去电子的电极；阴极（Cathode）则是发生还原反应的电极，故又称为还原极，也就是得到电子的电极。但阳极不一定就是正极，阴极也不一定是负极，也就是阳极、阴极与电极正或负没有必然的关系[1]，常让人混淆不清。关键在于电池充放电时，电子流动方向刚好相反，氧化还原反应会逆转，从而电池阴阳极因此会变来变去，交换扮演阳极或阴极。通常建议固定正负极的说法即可。

就电学上所定义的正负极，正极（positive electrode）是电位较高电极，负极（negative electrode）电位较低，电子会从电位高电极移动到电位较低的电极。锂离子电池顾名思义是借由锂离子（Li+）的传递来储存或释放电荷的电池，其充放电运作原理，主要是借由锂离子在正负极材料间的迁入与迁出来完成[2]。充电时，锂离子（Li+）从正极材料端迁出，经由电解液传输并穿过隔离膜抵达负极后，嵌入负极材料内部储存，每当一个锂离子（Li+）迁出时会伴随着一个电子（e-）的释放，电子（e-）则经由外电路从正极移到负极与锂离子（Li+）结合，此时正极因释放出电子发生氧化作用而为氧化极（阳极），另一端负极因接收电子发生还原反应而为还原极（阴极）。放电时则是相反的过程，锂离子（Li+）由负极材料内部迁出，并透过电解液的传输，通过隔离膜后回到正极材料，每当一个锂离子（Li+）迁出时会伴随着一个电子（e-）的释放，电子（e-)则流经外部回路驱动电子产品后，回到正极处与回来的锂离子（Li+）结合，此时负极因释放出电子发生氧化作用而为氧化极（阳极），另一端正极因接收电子发生还原反应而为还原极（阴极）。而可回到正极的锂离子（Li+）比率越高则代表电池的稳定性及寿命较高。

由于电池充放电时，正负两个电极的氧化还原反应刚好是反过来的。简单的整理：锂电池充电时，正极是阳极（氧化极），负极是阴极（还原极）。锂电池放电时，负极是阳极（氧化极），正极是阴极（还原极）。

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