負(fù)極材料石墨化工藝流程，負(fù)極材料石墨化工藝與設(shè)備
鋰電負(fù)極材料的加工包括破碎、造粒、石墨化以及篩分等環(huán)節(jié)，其中造粒和石墨化是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，并且都有很高的技術(shù)壁壘。負(fù)極材料通過(guò)石墨化能夠顯著提高材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，所以控制和掌握好石墨化工藝技術(shù)是保障負(fù)極材料質(zhì)量的重要途徑。
什么是石墨化？所謂石墨化是指非石墨質(zhì)炭經(jīng)高溫?zé)崽幚恚D(zhuǎn)變成具有石墨三維規(guī)則有序結(jié)構(gòu)的石墨質(zhì)炭。最初起源于炭素制品行業(yè)，是生產(chǎn)石墨電極的必備工序。石墨化作用是為了提高炭材料的熱、電傳導(dǎo)性，提高炭材料的抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性，使炭材料具有潤(rùn)滑性和抗磨性，提高炭材料純度。使用高溫?zé)崽幚韺?duì)原子重排及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量，這一過(guò)程需要消耗大量能量。電力是石墨化生產(chǎn)消耗的主要能源，通常情況下，采用電加熱方式將半成品加熱至2800℃以上，電力耗費(fèi)規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石墨化成本在人造石墨負(fù)極制造成本中約占55%。
石墨化工藝按照加熱方式可以分為直接法和間接法，按照運(yùn)行方式可以分為間歇式和連續(xù)式。常用的負(fù)極石墨化爐有艾奇遜石墨化爐、內(nèi)串接石墨化爐、網(wǎng)格箱式石墨化爐等。
以艾奇遜爐和內(nèi)串石墨化爐為例，研究人員對(duì)石墨化工藝技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，主要包括以下幾個(gè)方面。
1、裝爐時(shí)揮發(fā)分搭配
由于石墨化爐內(nèi)溫度升至200-1000℃期間時(shí)，爐內(nèi)的負(fù)極會(huì)排出大量揮發(fā)分，如不能及時(shí)排出可能造成揮發(fā)分聚集，引發(fā)噴爐的安全事故。在揮發(fā)分大量逸出時(shí)，揮發(fā)分燃燒不充分，會(huì)產(chǎn)生大量的黑色煙氣，造成環(huán)境污染或環(huán)保事故。因此，裝爐時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：
(1)負(fù)極裝爐時(shí)，需按照揮發(fā)分含量高低進(jìn)行合理搭配，避免送電過(guò)程中高揮發(fā)分部分過(guò)度集中和集中逸出；
(2)在頂部保溫料上需設(shè)置適當(dāng)?shù)耐饪?，便于揮發(fā)分有效逸出；
(3)設(shè)計(jì)送電曲線時(shí)，需充分考慮揮發(fā)分集中排放階段應(yīng)適當(dāng)放緩曲線，使揮發(fā)分緩慢排出并充分燃燒；
(4)合理選擇輔料，保證輔料粒度組成，減少輔料中0-1mm的粉料量，一般占比量≤10%。
2、裝爐時(shí)需爐阻均勻
爐內(nèi)負(fù)極、電阻料分布不均勻時(shí)，電流會(huì)從電阻低的地方流過(guò)，發(fā)生偏流現(xiàn)象，影響整爐負(fù)極石墨化的效果。因此，裝爐時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：
(1)裝爐時(shí)電阻料需從爐室的頭到爐室的尾長(zhǎng)線放料，避免小顆?；虼箢w粒集中；
(2)新舊坩堝裝入同一爐時(shí)也需要進(jìn)行合理搭配，禁忌新坩堝裝一層，舊坩堝裝一層的現(xiàn)象；
(3)避免電阻料露入邊墻料中。
3、負(fù)極材料送電過(guò)程功率曲線制定依據(jù)
根據(jù)負(fù)極材料質(zhì)量要求的不同分為低溫料（2800℃）、中溫料（2950℃）、高溫料（3000℃），但石墨化高溫處理的過(guò)程一般在2250-3000℃之間，為使?fàn)t內(nèi)各個(gè)位置都達(dá)到所要求的溫度，需要在高溫過(guò)程保持一段時(shí)間，以保證爐內(nèi)溫度的均勻。通常情況下因爐型不同，需保持的時(shí)間不同，一般高溫保持時(shí)長(zhǎng)6-30h，送電過(guò)程中防止?fàn)t阻反彈需保持3-6h。具體情況需根據(jù)以下技術(shù)要點(diǎn)來(lái)摸索制定。
(1)根據(jù)爐芯、負(fù)極材料、電阻料、坩堝、裝爐量等不同選取不同的升溫曲線；
(2)根據(jù)爐內(nèi)負(fù)極材料、電阻料的揮發(fā)分不同選取不同曲線，如揮發(fā)分較高時(shí)，需選取較慢的升溫曲線，否則需選取較快的升溫曲線；
(3)爐內(nèi)負(fù)極材料、電阻料灰分較高或負(fù)極材料相對(duì)難石墨化時(shí)，需適當(dāng)延長(zhǎng)大功率送電時(shí)間。
4、負(fù)極材料送電過(guò)程防止噴爐事故
由于負(fù)極材料是粉狀物料，揮發(fā)分含量高且不易排出，易產(chǎn)生電弧及揮發(fā)分高所引起的噴爐事故，具體操作過(guò)程中需注意以下事項(xiàng)：
(1)艾奇遜爐在負(fù)極材料裝爐時(shí)，電阻料需進(jìn)行搗實(shí)以避免送電過(guò)程中坩堝之間電阻料懸空發(fā)生電弧造成噴爐；
(2)內(nèi)串爐負(fù)極材料送電過(guò)程中位移的變化以縮小為主，因此負(fù)極材料裝爐時(shí)，需計(jì)算液壓缸的行程，所以要保證送電過(guò)程中有行程，同時(shí)也要保證有足夠的壓力，避免因失壓而致使電弧噴爐事故；
(3)兩種爐型均需選擇粗顆粒及揮發(fā)分較低的輔料；
(4)送電過(guò)程中需密切關(guān)注爐室是否有局部發(fā)熱的現(xiàn)象；
(5)送電過(guò)程中需密切關(guān)注爐頂、爐壁有無(wú)串火的現(xiàn)象；
(6)送電過(guò)程中需密切關(guān)注爐室內(nèi)是否有低沉的轟鳴聲；
(7)送電過(guò)程中需密切關(guān)注電流是否有大的波動(dòng)現(xiàn)象。
送電過(guò)程中如出現(xiàn)(4)-(7)條現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)停電處理，避免發(fā)生噴爐事故。
5、冷卻出爐
(1)負(fù)極材料在石墨化冷卻過(guò)程中不能采取澆水方式強(qiáng)行冷卻，可以采用抓斗或吸料裝置逐層抓料進(jìn)行自然冷卻。
(2)負(fù)極材料坩堝150℃左右出爐最佳，過(guò)早取出坩堝，會(huì)因溫度過(guò)高，導(dǎo)致負(fù)極材料氧化，比表面積增大，也可能會(huì)導(dǎo)致坩堝氧化損壞。過(guò)晚取出坩堝，也會(huì)使負(fù)極粉材料氧化，比表面積增大，生產(chǎn)周期變長(zhǎng)，增加生產(chǎn)成本。
(3)在石墨化3000℃高溫下，除C元素以外其他元素均氣化排出，但仍會(huì)有少量雜質(zhì)在冷卻過(guò)程中吸附在負(fù)極表層。出爐時(shí)坩堝表層會(huì)形成一層粗糙的硬殼，高灰分、高揮發(fā)分的物料形成的硬殼料更多，選擇低灰、低揮發(fā)分的輔料也是基于此原因。
(4)硬殼料在指標(biāo)上與合格的負(fù)極材料性能差別較大，因此取出坩堝時(shí)需提前打掉1-5mm厚的硬殼料單獨(dú)儲(chǔ)存保管，表面光滑的合格物料正常收集，裝入到噸袋內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存。
