中國粉體網(wǎng)訊 2020年12月16日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2020石墨基鋰離子電池正極材料研究網(wǎng)絡(luò)研討會”在粉體公開課直播平臺如期舉行。 本次研討會對鋰離子電池正極材料的發(fā)展、工藝、設(shè)備及市場現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析。 李子坤副主任博士從石墨化理論的基本內(nèi)容、石墨化的關(guān)鍵技術(shù)以及石墨化的發(fā)展趨勢三個(gè)方面為大家做了詳細(xì)的講解和分享。 其中，石墨化設(shè)備——石墨化爐的介紹引起了小編的興趣。 明天我們就結(jié)合李博士的內(nèi)容，整理一下有關(guān)石墨化爐的知識，供大家參考！

石墨化簡介

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

關(guān)于石墨化有很多描述。 簡單來說，石墨化就是熱處理。 使原本無序分布的碳原子排列整齊。 值得注意的是，無論是大尺寸各向同性石墨、小尺寸導(dǎo)輪、導(dǎo)電滑塊，甚至是鋰離子電池正極材料等一系列碳石墨產(chǎn)品，石墨化都是一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)過程。 一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。

石墨化晶格轉(zhuǎn)變示意圖

石墨化過程手動(dòng)控制系統(tǒng)

石墨化按加熱方式可分為直接法和間接法，按操作方式可分為間歇式和連續(xù)式。 石墨化工藝是碳石墨鋰離子電池正極材料生產(chǎn)的重要工藝，石墨化程度是鋰離子電池正極材料的重要指標(biāo)。 當(dāng)石墨化溫度升至接近2200℃時(shí)，鋰離子電池正極材料中的雜質(zhì)已基本消除。 將材料石墨化，需要用到加工設(shè)備——石墨化爐。

五種石墨化爐介紹

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

石墨化設(shè)備按方法不同分為兩大類：即按加熱方式分為直接加熱爐和間接加熱爐。 直接加熱爐直接將被熱處理的材料作為加熱元件； 在間接加熱爐中，物料只是加熱元件，熱量來自于物料周圍的加熱元件。

按操作設(shè)計(jì)方法分為艾奇遜石墨化爐、內(nèi)串聯(lián)石墨化爐、真空石墨化爐、連續(xù)式石墨化爐和箱式石墨化爐五種主要類型。

? 艾奇遜石墨化爐

1985年，EG·艾奇遜發(fā)明了石墨化爐。 隨著工業(yè)的發(fā)展，石墨化爐的結(jié)構(gòu)也得到了很大的發(fā)展。 艾奇遜爐有直流電爐和交流電爐。 這些烤箱簡單、耐用且易于維修。

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

艾奇遜石墨化爐按加熱方式分類，屬于直接加熱式電爐。 直接加熱爐是指產(chǎn)品本身是導(dǎo)體，通過內(nèi)電阻加熱，完成產(chǎn)品的石墨化。

最初的艾奇遜石墨化爐采用的是交流電，但交流電存在功率低、電流密度低、功率素?cái)?shù)低、輸電時(shí)間長等缺點(diǎn)。 20世紀(jì)60年代后，隨著檢測設(shè)備的迅速發(fā)展，艾奇遜石墨化爐開始采用直流供電，煤炭消耗大大增加。 石墨化爐內(nèi)的電阻值主要由內(nèi)阻材料提供。 可以看出，在整個(gè)石墨化過程中，熱量主要通過內(nèi)阻材料傳遞到產(chǎn)品，進(jìn)入產(chǎn)品的電壓所占的比例很小。

如果電阻材料的電阻值不均勻，就會導(dǎo)致爐芯內(nèi)溫度不均勻，從而使石墨化產(chǎn)物產(chǎn)生裂紋，成為廢鐵。 剛開始通電時(shí)，如果功率過大、功率上升過快，爐芯溫度上升過快，對于大尺寸、細(xì)結(jié)構(gòu)的石墨制品極易形成裂紋。

艾奇遜石墨化爐是目前國外高純石墨生產(chǎn)爐的主要類型之一。 該爐生產(chǎn)周期長、能耗高、效率低、間歇性生產(chǎn)。 據(jù)有關(guān)資料顯示，艾奇遜石墨化爐的生產(chǎn)能耗約為4000~/t。

內(nèi)系列石墨化爐

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

內(nèi)串聯(lián)石墨化爐是肺熱串聯(lián)石墨化爐，由日本??發(fā)明，分為立式內(nèi)串聯(lián)和三維內(nèi)串聯(lián)。 在線石墨化工藝與艾奇遜石墨化工藝的主要區(qū)別在于產(chǎn)品直接通過電極本身加熱，無需內(nèi)阻材料產(chǎn)生熱量。 這也是在線石墨化工藝相比艾奇遜石墨化工藝改進(jìn)的主要特點(diǎn)。 由于在線石墨化過程中沒有填料，因此可以減少發(fā)熱量，可減少發(fā)熱量10%，降低能耗20%~35%。 內(nèi)串聯(lián)式石墨化爐具有熱效率高、送電時(shí)間短的特點(diǎn)，低溫階段僅需1~2h。 產(chǎn)品直接加熱時(shí)，內(nèi)阻均勻，產(chǎn)品成品率高。 20世紀(jì)80年代以來，美國、日本等國家的炭素廠大多采用內(nèi)串聯(lián)石墨化工藝生產(chǎn)大型超高功率石墨電極。 內(nèi)串聯(lián)石墨化爐的爐型可分為I型、U型、W型和梅花型。 其中U型爐的種類較多，有單柱式和多柱式，也有二折、四折甚至多折的。

影響在線石墨化產(chǎn)品指標(biāo)的因素有很多，如與直流石墨化相比升溫速度較快、整體水溫相對較高，以及使用低品位原材料和過分追求較低的電阻率等。產(chǎn)品等，在極端高的石墨化濕度下，產(chǎn)品與電極芯接觸部分形成的升華現(xiàn)象也會影響石墨化產(chǎn)品。

但在線石墨化也有一定的缺點(diǎn)，如爐溫不如艾奇遜石墨化爐高。 據(jù)有關(guān)資料顯示，肺熱系列石墨化爐的生產(chǎn)能耗約為3300~/t。

?真空石墨化爐

真空石墨化爐是在“真空”環(huán)境下對物料進(jìn)行低溫處理的中大型石墨化爐。 通常用于實(shí)驗(yàn)室或小批量生產(chǎn)裝置。 采用內(nèi)電阻加熱方式，溫度可達(dá)3000℃； 良好的濕度均勻性； 特殊低溫紅外檢測技術(shù)，控溫準(zhǔn)確，偏差??； 外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，單爐生產(chǎn)周期短，效率高。

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

?連續(xù)式石墨化爐

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

連續(xù)石墨化爐雖然不是特定的石墨化工藝爐，但現(xiàn)有的連續(xù)石墨化爐的類型有很多種。 所謂連續(xù)石墨化工藝是相對于間歇石墨化工藝而言的。 所謂連續(xù)石墨化工藝通常是指生產(chǎn)中不間斷電的過程，石墨化產(chǎn)品需要經(jīng)過一系列溫區(qū)才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)石墨化。

連續(xù)石墨化爐還有另一種方法，與內(nèi)串聯(lián)石墨化法類似。 電極在爐內(nèi)首尾相連，串聯(lián)形成電極柱。 電壓直接流過電極柱形成焦耳熱，實(shí)現(xiàn)石墨化。

以下問題主要影響連續(xù)石墨化過程。 首先是耐火層的問題。 由于必須有3000℃的溫度區(qū)，這就要求爐體的耐火材料具有較高的耐火度。 另一個(gè)問題是如何快速冷卻產(chǎn)品以使產(chǎn)品不被氧化。

碳管爐是一種外加熱式大型連續(xù)石墨化爐，主要采用熱凈化原理，用于石墨的低溫凈化。 主要采用熱凈化原理對石墨進(jìn)行低溫凈化。

連續(xù)石墨化爐的爐體為立式長方體外殼，采用直流電，左右分布兩個(gè)電極。 當(dāng)兩個(gè)電極之間施加電流形成的電壓通過物料時(shí)，物料由于自身的內(nèi)阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能，物料逐漸被加熱并烘烤。 隨著物料向下移動(dòng)，物料逐漸加熱到2500-3000℃進(jìn)行低溫石墨化，碳原子發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變，成為高純石墨化焦。 石墨化焦逐漸向下移動(dòng)，冷卻后通過卸料設(shè)備排出。

優(yōu)勢

實(shí)現(xiàn)封閉式連續(xù)生產(chǎn)，手工操作程度高； 爐內(nèi)溫度均勻，石墨化焦石墨化程度高； 據(jù)悉，該石墨化爐原料為散裝物料，產(chǎn)品為散裝石墨化焦。 與石墨化爐只能生產(chǎn)某種形狀的石墨產(chǎn)品相比，散裝石墨化焦可以根據(jù)不同的工藝要求生產(chǎn)不同的石墨產(chǎn)品，以滿足不同領(lǐng)域的不同生產(chǎn)要求。

?箱式石墨化爐

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

不同石墨化爐方案的比較與選擇

石墨正極材料石墨化爐對比

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

石墨化爐與Lung Heat系列石墨化爐的熱平衡

正極材料對石墨化爐的選擇性

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

石墨化爐的設(shè)計(jì)理念

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

石墨化爐煤耗分布及成本構(gòu)成

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

石墨化部件：爐體電阻、電阻材料/絕緣材料

圖片來自：李子坤。 石墨化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展