中國粉體網訊 鋰電負極材料的加工包括破碎、造粒、石墨化以及篩分等環節，其中造粒和石墨化是最關鍵的環節，并且都有很高的技術壁壘。負極材料通過石墨化能夠顯著提高材料的各項性能指標，所以控制和掌握好石墨化工藝技術是保障負極材料質量的重要途徑。
圖片來源：貝特瑞官網
什么是石墨化？所謂石墨化是指非石墨質炭經高溫熱處理，轉變成具有石墨三維規則有序結構的石墨質炭。最初起源于炭素制品行業，是生產石墨電極的必備工序。石墨化作用是為了提高炭材料的熱、電傳導性，提高炭材料的抗熱震性和化學穩定性，使炭材料具有潤滑性和抗磨性，提高炭材料純度。使用高溫熱處理對原子重排及結構轉變提供能量，這一過程需要消耗大量能量。電力是石墨化生產消耗的主要能源，通常情況下，采用電加熱方式將半成品加熱至2800℃以上，電力耗費規模大、時間長。據統計，石墨化成本在人造石墨負極制造成本中約占55%。
石墨化工藝按照加熱方式可以分為直接法和間接法，按照運行方式可以分為間歇式和連續式。常用的負極石墨化爐有艾奇遜石墨化爐、內串接石墨化爐、網格箱式石墨化爐等。
以艾奇遜爐和內串石墨化爐為例，研究人員對石墨化工藝技術要點進行了分析總結，主要包括以下幾個方面。
1、裝爐時揮發分搭配
由于石墨化爐內溫度升至200-1000℃期間時，爐內的負極會排出大量揮發分，如不能及時排出可能造成揮發分聚集，引發噴爐的安全事故。在揮發分大量逸出時，揮發分燃燒不充分，會產生大量的黑色煙氣，造成環境污染或環保事故。因此，裝爐時需注意以下幾點：
(1)負極裝爐時，需按照揮發分含量高低進行合理搭配，避免送電過程中高揮發分部分過度集中和集中逸出；
(2)在頂部保溫料上需設置適當的通氣孔，便于揮發分有效逸出；
(3)設計送電曲線時，需充分考慮揮發分集中排放階段應適當放緩曲線，使揮發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、裝爐時需爐阻均勻
爐內負極、電阻料分布不均勻時，電流會從電阻低的地方流過，發生偏流現象，影響整爐負極石墨化的效果。因此，裝爐時需要注意以下幾點：
(1)裝爐時電阻料需從爐室的頭到爐室的尾長線放料，避免小顆粒或大顆粒集中；
(2)新舊坩堝裝入同一爐時也需要進行合理搭配，禁忌新坩堝裝一層，舊坩堝裝一層的現象；
(3)避免電阻料露入邊墻料中。
3、負極材料送電過程功率曲線制定依據
根據負極材料質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程一般在2250-3000℃之間，為使爐內各個位置都達到所要求的溫度，需要在高溫過程保持一段時間，以保證爐內溫度的均勻。通常情況下因爐型不同，需保持的時間不同，一般高溫保持時長6-30h，送電過程中防止爐阻反彈需保持3-6h。具體情況需根據以下技術要點來摸索制定。
(1)根據爐芯、負極材料、電阻料、坩堝、裝爐量等不同選取不同的升溫曲線；
(2)根據爐內負極材料、電阻料的揮發分不同選取不同曲線，如揮發分較高時，需選取較慢的升溫曲線，否則需選取較快的升溫曲線；
(3)爐內負極材料、電阻料灰分較高或負極材料相對難石墨化時，需適當延長大功率送電時間。
4、負極材料送電過程防止噴爐事故
由于負極材料是粉狀物料，揮發分含量高且不易排出，易產生電弧及揮發分高所引起的噴爐事故，具體操作過程中需注意以下事項：
(1)艾奇遜爐在負極材料裝爐時，電阻料需進行搗實以避免送電過程中坩堝之間電阻料懸空發生電弧造成噴爐；
(2)內串爐負極材料送電過程中位移的變化以縮小為主，因此負極材料裝爐時，需計算液壓缸的行程，所以要保證送電過程中有行程，同時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分較低的輔料；
(4)送電過程中需密切關注爐室是否有局部發熱的現象；
(5)送電過程中需密切關注爐頂、爐壁有無串火的現象；
(6)送電過程中需密切關注爐室內是否有低沉的轟鳴聲；
(7)送電過程中需密切關注電流是否有大的波動現象。
送電過程中如出現(4)-(7)條現象時，應及時停電處理，避免發生噴爐事故。
5、冷卻出爐
(1)負極材料在石墨化冷卻過程中不能采取澆水方式強行冷卻，可以采用抓斗或吸料裝置逐層抓料進行自然冷卻。
(2)負極材料坩堝150℃左右出爐最佳，過早取出坩堝，會因溫度過高，導致負極材料氧化，比表面積增大，也可能會導致坩堝氧化損壞。過晚取出坩堝，也會使負極粉材料氧化，比表面積增大，生產周期變長，增加生產成本。
(3)在石墨化3000℃高溫下，除C元素以外其他元素均氣化排出，但仍會有少量雜質在冷卻過程中吸附在負極表層。出爐時坩堝表層會形成一層粗糙的硬殼，高灰分、高揮發分的物料形成的硬殼料更多，選擇低灰、低揮發分的輔料也是基于此原因。
(4)硬殼料在指標上與合格的負極材料性能差別較大，因此取出坩堝時需提前打掉1-5mm厚的硬殼料單獨儲存保管，表面光滑的合格物料正常收集，裝入到噸袋內進行儲存。
參考來源：
1、高風揚等.負極材料石墨化主流工藝及技術要點
2、呂博等.鋰電池負極石墨化爐技術現狀與發展方向
3、喬永民等.石墨化方式對鋰離子電池人造石墨負極材料性能的影響
（中國粉體網編輯整理/文正）
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