近幾年，我國大力推進新能源汽車購買力度，新能源汽車行業(yè)飛速發(fā)展，導致鋰電池市場供不應求，而70%以上的鋰電池負極材料都需要進行石墨化處理。石墨化技術(shù)現(xiàn)在急需升級優(yōu)化，來面對目前石墨負極材料供不應求的市場局面。石墨化是指用熱能將不穩(wěn)定的碳原子實現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化，原子重排及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的能量來源為高溫熱處理。隨著熱處理溫度的提高，D002（石墨層間距）逐漸變小，到達2300℃時變化顯著，到3000℃時，變化趨向緩慢，直至完成整個石墨化過程。

上述的石墨化需要在高溫爐的環(huán)境下才能進行。目前石墨化使用的主流爐型為：①艾奇遜爐；②內(nèi)串爐；③箱體爐。這三種爐型的區(qū)別如下所示：

裝爐

再進行石墨化時，200~1000℃期間，爐內(nèi)產(chǎn)生大量外逸的揮發(fā)分物質(zhì)。過度積壓會產(chǎn)生局部炸爐的安全事故。揮發(fā)分大量逸出時燃燒不充分會產(chǎn)生大量的黑色煙氣，帶來環(huán)保風險。如果想要避免這些不良影響，可以按照以下的制備流程進行石墨化處理：

1、負極粉揮發(fā)分高低搭配

①負極粉入爐時按照揮發(fā)分高低進行搭配，高揮發(fā)分物料，注意均勻分布，避免從部分區(qū)域集中逸出；

②送電初期在揮發(fā)份集中排放階段適度放緩，使揮發(fā)物質(zhì)緩慢排出充分燃燒。

2、選擇合適尺寸的坩堝

根據(jù)爐芯所能產(chǎn)生的截面電流密度，合理選擇適合的坩堝。

坩堝尺寸過大，即爐芯截面過大，申流密度過小，容易發(fā)生“小馬拉大車”的品質(zhì)不良風險；

坩堝尺寸過小，即爐芯截面過小，電流密度過大，容易發(fā)生“大馬拉小車”的電能浪費現(xiàn)象。

3、輔料的選擇

揮發(fā)分：要求<1%，若偏高易發(fā)生局部炸爐以及產(chǎn)生黑色煙氣，若工藝設(shè)計送電前期緩慢，可以考慮以低成本采購揮發(fā)分較高的輔料。

灰分：要求<1%，偏高易對負極以及出爐后輔料銷售產(chǎn)生負面影響，若輔料銷路穩(wěn)定，可以低成本采購高灰分輔料。

硫分：低硫高硫的選擇主要根據(jù)環(huán)保設(shè)施處理能力進行選擇，須綜合考量。

比電阻：艾奇遜爐需要一定的比電阻通電后自發(fā)熱，選擇行業(yè)常規(guī)數(shù)值即可。

輔料的選擇上可以調(diào)整的空間很大，權(quán)衡輔料采購與銷售的情況，在確保環(huán)保要求的前提下，制定收益最大化的方案！

4、避免爐內(nèi)偏流

理想的電流走向是均勻的，同向的。爐內(nèi)負極與輔料分布不均勻時，電流會從電阻偏低的地方流通，發(fā)生偏流現(xiàn)象，影響整爐石墨化效果。

要求：

①裝輔料避免小顆?；虼箢w粒集中抱團出現(xiàn)；

②物料返工時，忌與電流方向相同，應采取與電流方向垂直的方式入爐；

③新舊坩堝一同入爐時也須采取與電流方向垂直的方式，忌新坩堝裝下層的同時舊坩堝裝上層。

送電

石墨化高溫處理的有效階段僅在2400C~3000℃之間，為使爐內(nèi)各個位置都達到3000℃，需要在高溫時保持一段時間，爐型不同參數(shù)不同，高溫時長由10H~30H不等。那么我們在進行石墨化時應該選擇什么樣的石墨化功率曲線呢？

可以按照以下選取標準選擇適合自己的石墨化功率曲線：

①根據(jù)爐內(nèi)主/輔料、坩堝的不同選取不同升溫曲線；

②爐內(nèi)主/輔料揮發(fā)分較高時，選取較慢的升溫曲線；

③爐內(nèi)主料/輔料灰分較高時，須延長高功率時長。

由于負極材料的粉狀特性，國內(nèi)近兩年發(fā)生的多起較嚴重的噴爐事故，因此在送電過程中須密切關(guān)注爐況:

①是否有局部過熱情況發(fā)生；

②是否爐壁爐頂有躥火；

③爐內(nèi)是否有低沉的轟鳴聲。

只有防患于未然，將噴爐事故的火苗提早撲滅，才能保證安全生產(chǎn)大于天。

冷卻出爐

1、冷卻方式

負極材料的石墨化冷卻不能使用灑水的方式進行冷卻（但有時可以噴物方式進行冷卻)，會產(chǎn)生針對主料品質(zhì)以及輔料的綜合性負面影響，應采用抓斗或負壓吸料系統(tǒng)，逐層抓開進行自然冷卻。

在冷卻時，要求冷卻時間不宜過長，根據(jù)實際觀察，在相同的生產(chǎn)效率前提下，大爐子產(chǎn)量高于小爐子，但小爐子壽命往往高于大爐子。

此外，冷卻時間不宜過長還有個考慮因素一一物料的比表面積。目前國內(nèi)外各大客戶無一不關(guān)注物料的比表面積指標，根據(jù)多家石墨化企業(yè)的比表數(shù)據(jù)對此，有下面發(fā)現(xiàn)：

①內(nèi)串爐生產(chǎn)的物料比表普遍低于艾奇遜爐；

②艾奇遜爐小爐子生產(chǎn)的物料比表普遍低于大爐子；

③同爐內(nèi)物料上層比表最小，下層最大。

簡而言之，料在爐內(nèi)時間越短，比表指標越小。

2、出坩堝時機

由于每個廠家爐況以及生產(chǎn)參數(shù)不同，所以需自行摸索如何在保本保質(zhì)保量的前提下出爐。

坩堝正常冷卻情況下露出2/3時再出爐，可以在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整，摸索出適合自己的出爐時機。

3、表皮料處理

石墨化過程中，雜質(zhì)經(jīng)【固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)】的變化后逸出并排出，3000℃的高溫可以使自然界99.9%化合物的化學鍵斷裂形成單質(zhì)元素，除C元素以外全部氣化排出。伴隨著大部分雜質(zhì)排出，但少量雜質(zhì)會在冷卻時吸附在主料表層，出爐時會形成一層粗糙的表皮，高灰分和高揮發(fā)分的物料形成的表皮料更多。

由于表皮料在指標上與合格的負極材料相差太大 (粒度、振實、比表、形貌、成分等差異顯著)，為確保負極材料品質(zhì)可在出爐后出粉前，打掉1~5公分直至物料表面光滑，取出的表皮料另行處理。

石墨化目前的不足與改進之處

三種石墨化方式的特點和不足：

1、艾奇遜爐生產(chǎn)周期長，冷卻慢，效率不高；

2、艾奇遜爐平均每1噸主料需要約3~4噸輔料進行生產(chǎn)，這些輔料多為煅后石油焦，出爐后作為增碳劑售出，另一部分返爐使用，然而增碳劑的市場增量無法跟上鉀電池市場的飛速發(fā)展，增碳劑市場趨于飽和時，輔料處理將變成一大難題；

3、內(nèi)串爐生產(chǎn)周期短，電能利用率高，但是裝爐量小，坩堝成本高；

4、箱體爐減少了坩堝使用成本，但存在石墨化品質(zhì)不均一的缺點，裝爐量增大時，這一缺點更加突出；

5、各類爐子在生產(chǎn)時，由于爐內(nèi)主/輔料的灰分以及揮發(fā)分的大量逸出，都面臨著環(huán)保和安全問題；

需要改善的方向和建議：

1、艾奇遜爐型設(shè)計盡量扁平化，即保持爐芯橫截面積不變，橫向擴大裝爐尺寸，將原3層改為2層，增加單層裝坩堝量，此舉目的在于增加冷卻效率，延長爐子壽命，控制加工物料比表指標；

2、尋求現(xiàn)行艾奇遜爐保溫材料更好的替代材料；

3、內(nèi)串爐設(shè)計時盡量大型化，在坩堝制作工藝上尋求突破，以期獲得更大的裝爐量以及更長的坩堝壽命，降低坩堝使用成本；

4、箱體爐兼具艾奇遜爐與內(nèi)串爐的優(yōu)點又規(guī)避了缺點，推薦箱體爐作為未來負極材料石墨化的主要爐型，但須對其品質(zhì)不穩(wěn)定的缺點加以關(guān)注并重點研究，建議爐型設(shè)計小型化，變壓器選取15000KVA~17000KVA，尋求石墨化品質(zhì)與石墨化效率的最佳契合點。

5、針對此前提及的安全環(huán)保問題，以及增加裝爐量，建議對石墨化物料進行碳化預處理，但碳化的工藝等細節(jié)須作為重點進行研究。

雖然石墨化爐型、爐況各有不同，工藝也是千差萬別，但石墨化的熱處理原理基本相同。隨著電池行業(yè)的不斷發(fā)展，石墨負極材料對石墨化工藝的要求也是越來越高，如何在生產(chǎn)技術(shù)過程當中，發(fā)揮“工匠精神”，探索出一條高效、簡潔、精致的石墨化工藝道路，這個方向是我們石墨領(lǐng)域當中需要探討的問題。