【工艺篇】碳素材料锂电负极生产工艺流程

科技   2024-11-18 13:49   云南  

选用优质碳纤维可纺沥青,一种以石油沥青(原油加工过程的一种产品,在常温下是黑色或黑褐色的粘稠的液体、半固体或固体)为生产原料,经聚合、纺丝、不熔化、碳化处理后的高品质沥青,具有软化温度高、稳定性好等优点,主要用作锂离子电池负极材料混合造粒、包覆改性等工序使用

传统焙烧工序存在明显不同,具体分析如下:

工艺概述

①焙烧

据相关专业书籍、文献资料可知,焙烧是指成型后的炭制品生坯在焙烧加热炉内的保护介质中,在隔绝空气的条件下,按照一定的升温速率进行高温热处理,使生坯中的煤沥青炭化的工艺过程。

工艺原理:生坯所含煤沥青黏结剂在焙烧时发生热解缩聚反应而形成黏结焦(沥青焦),其在炭质骨料间形成黏接焦网格,把所有的不同粒度的骨料牢固地结合在一起,使炭制品具有一定的强度和理化性能。焙烧制成的炭制品具有较高的机械强度、较低的电阻率、较好的热稳定性和化学稳定性。

相关案例:眉山方大蓉光炭素有限责任公司“年产5万吨超高功率石墨电极及特种石墨项目”、四川津都石墨制品有限公司“年产10000吨锂电池负极材料提纯用高纯石墨匣钵生产项目”等。

方大:石油焦、针状焦等骨料配料后,加入煤沥青(熔化后)进行混捏、成型(得到生坯)、焙烧(浸渍→二焙)、石墨化、机加工,得到电极接头。

津都:石油焦、针状焦、人造石墨骨料配料后,加入煤沥青(熔化后)进行混捏、轧片、粉碎、成型(得到生坯)、焙烧(浸渍→二焙)、石墨化(外委)、机加工,得到石墨匣钵产品

②包覆改性、混合造粒等

据相关文献资料,石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品(简称“石墨炭粉”,粒径很小,粒径≤5um),因其比表面积很大,表面活性度高,很容易产生团聚现象(主要是由颗粒间的静电力、范德华力等因素所致,单纯靠物料分散方法(包括机械搅拌、气化、超声、乳化)是很难缓解团聚),所以对粉体表面进行改性处理,使其处于分散状态,充分发挥其优异特性很有必要。包覆改性只是表面改性技术中重要的一种。粉体的表面包覆是根据需要应用物理方法对颗粒物表面进行处理,利用无机物或有机物对颗粒表面进行包覆,在其表面引入一层包覆层,这样包覆改性后的粉体可以看成是由“核层”和“壳层”组成的复合粉体。通过在粉体表面涂敷一层组成不同的覆盖层,能够改变其磁、电特性,提供其抗腐蚀、耐久性、使用寿命及热、化学稳定性等,具体工艺原理如下:

一、产品质量标准

二、主要原辅料单耗

1)石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品

负极材料生产线主要生产原料为石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品(锂离子电池负极材料生产线主要生产工艺为煅后石油焦/针状焦等原辅料→预处理→混合造粒→石墨化等,得到锂离子电池负极材料半成品→包覆改性→成品加工;其中,石墨化处理是指将煅后石油焦/针状焦等预处理后的原辅料置于石墨化炉内,经过2300度左右的高温使石油焦无定形的乱层结构碳晶体转变成六方层状结构晶型碳,即石墨化。石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品/简称“石墨炭粉”主要杂质已被去除,品质相对较好),即上游厂家生产加工后的半成品,作为生产原料,主要生产工序仅包覆改性、成品加工等,不涉及石墨化等前端生产工序。

综上所述,负极材料生产采用石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品作原料,进厂控制要求如下:

2)石墨化处理后的煅后石油焦

煅后焦是生焦经煅烧而得,煅烧温度一般在1400℃左右,煅烧目的是将石油焦挥发分尽量除掉。这样可减少石油焦再制品的氢含量,使石油焦的石墨化程度提高,从而提高石墨类制品的高温强度和耐热性能,并改善其电导率。煅后焦主要用于生产石墨电极、炭糊制品、金刚砂、食品级磷工业、冶金工业及电石等,其中应用最广泛的是石墨电极。结合同行业生产工艺分析,煅后石油焦可作为锂离子电池负极材料生产过程中石墨化处理保温料、电阻料;石墨化处理后的煅后石油焦可作为副产物——粗质)增碳剂进行外售。为此,增碳剂生产线采用石墨化处理后的煅后石油焦作原料。

3)优质沥青

沥青是一种棕黑色有机固体,包括天然沥青、石油沥青、页岩沥青和煤焦油沥青等四种。主要成分是沥青质和树脂,其次有高沸点矿物油和少量的氧、硫和氯的化合物。四种沥青中以煤焦油沥青(人造沥青的一种,一般为粘稠的液体、半固体或固体。色黑而有光泽,臭味,熔融时易燃烧,并有毒。煤沥青煤焦油蒸馏加工去除液体馏分后的残余物,约占煤焦油总量的50%~60%,属大宗产品,现行国家标准为GB/T 2290-2012危害最大。在电板焙烧炉制作中要排出大量的沥青烟。沥青烟气是黄色的气体,其中焦油程细雾粒。

选用优质碳纤维可纺沥青,一种以石油沥青(原油加工过程的一种产品,在常温下是黑色或黑褐色的粘稠的液体、半固体或固体)为生产原料,经聚合、纺丝、不熔化、碳化处理后的高品质沥青,具有软化温度高、温度性好等优点,主要用作锂离子电池负极材料混合造粒、包覆改性等工序使用

选用的优质碳纤维可纺沥青较煤沥青具有软化温度高、温度性好、结焦值高、甲苯不溶物和喹啉不溶物含量低等优点。

三、主要燃料及动力消耗

主要燃料及动力消耗种类和用量见下表:

四、主要设备清单(略)

五、工艺流程说明

(1)锂离子电池负极材料生产线

1)预处理

采用石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品作原料。同时,将少量优质沥青采用自动吸料系统进行上料→破碎后的优质沥青按比例送入缓存仓暂存。

其中,锂离子电池负极材料半成品(石墨粉)经自动吸料系统进行上料→密闭的物料输送系统送入分级机进行分级筛分,筛分后的物料经密闭的物料输送系统送入整形机,使物料颗粒更规整;然后将整形后的物料再经密闭的物料输送系统送入除磁机进行一次除磁;将除磁后的物料与破碎后的沥青(缓存仓)经密闭的物料输送系统送入混料机混合(按照100:4的配比)。

投料

工艺描述:负极材料生产线主要生产原料为石墨化处理后的锂离子电池负极材料半成品(粒径5um),经汽车运至厂区(原料库)经自动上料系统进行投料;

工艺参数:常温、负压、密封进料(除进料口外)。

主要环境污染物为:粉尘、设备机械噪声及废旧包装材料。
破碎

工艺描述:沥青经破碎后粒径为~5um,暂存于缓存仓。

工艺参数:常温、负压、全密闭

主要环境污染物为:粉尘、设备机械噪声。
整形
工艺描述:将配好的原料与优质沥青经密闭的物料输送系统送至全密闭的自动整形机进行整形,使颗粒更规整,后处理过程所有设备均密封连接。

工艺参数:常温、常压密闭。

主要环境污染物为:粉尘、设备机械噪声。

次除磁

工艺描述整形经密闭的物料输送系统除磁机,在磁场的作用磁性颗粒发生磁聚而形成磁团磁链,受磁力作用,向磁极运动,进而被吸附在圆筒上(定期外排)。

工艺参数密闭、常压

主要环境污染物:除磁杂质、设备机械噪声等。
混合
工艺描述:首先,将混机内的空气抽走;通入氮气吹扫隔绝空气,防止物料燃烧氧化。然后,将一次除磁后的物料经密闭的物料输送系统送至混机(密闭,自带旋转搅拌),同时将缓存仓中的沥青经气力输送系统输送至混,进行物料的混合搅拌搅拌结束后,打开反应釜阀门,物料经自动打散装置通过管道重力送至缓存仓。

工艺参数密闭、常压

主要环境污染物粉尘、设备机械噪声等。

2)包覆改性

将混合后的物料经坩埚装料机(自带除尘系统)进行装坩埚。然后,将装有物料的石墨坩埚经推车依次送入改性机内进行预热、升温、改性。具体工艺原理为“通过天然气加热,改性机内物料按一定的升温曲线加热,使物料颗粒表面的沥青转变成热解碳包覆层”;同时,加热过程中少量沥青中的树脂类发生缩聚,晶体形态转化(非晶态转化为晶态)得到包覆类石墨材料(粒径达10~20μm。升温(温度1000℃)改性处理后的坩埚物料在氮气的保护下,进入改性机内冷却段冷却后进入下一步工序。

工序描述:装有物料的石墨坩埚依次送入改性机内,石墨坩埚在进入改性机前首先抽去空气,之后通入氮气吹扫隔绝空气,防止物料燃烧氧化。

包覆/改性:混合物料在氮气保护下,按一定的升温曲线加热。加热过程是通过天然气加热,通过气体、物料容器传热至物料上,加热方式属于间接式。

使物料颗粒表面的沥青转变成热解碳包覆层。加热过程中,沥青中的树脂类发生缩聚,晶体形态转化(非晶态转化为晶态),得到包覆类石墨材料(粒径达1020μm)。

工艺参数:全密闭,常压,设计温度≤1000。分干燥(150℃,约2h)、升温(150→1000,约13h)、恒温(2h)、冷却(在氮气保护下冷却,1~2h),总停留时间约20h;氮气99.996%保护。

主要环境污染物:颗粒物、沥青烟、苯并[a]芘及有机废气及设备机械噪声等。


3)成品加工

将包覆改性处理后经冷却处理的物料采用负压吸料设备将物料抽吸至自动分级机进行分级,将负极包覆改性软结块料打散,经分级处理后的物料经密闭的物料输送系统送入筛分、除尘密闭设备进行批次混合,将同种料不同批次合批混合,保证批次稳定性。之后将物料经密闭的物料输送系统送入除磁机进行二次除磁,再将除磁后的物料经密闭的物料输送系统送入分级机进行分级筛分,筛分好物料采用全自动包装系统进行包装。

分级
工序描述包覆改性处理后物料经自动吸料系统输送至自动分级机进行分级,将负极包覆改性软结块料打散,并去掉粗料

工艺参数:全密闭、常压;

主要环境污染物:颗粒物、设备机械噪声等。

合批
工序描述将分级处理后的物料经密闭的物料输送系统送入筛分、除尘密闭设备进行批次混合,将同种料不同批次合批混合,保证批次稳定性

工艺参数:全密闭、常压;

主要环境污染物:颗粒物、设备机械噪声等。

二次除磁
工序描述:为去除物料中的磁性杂质,将合批的物料经密闭的物料输送系统除磁机,在磁场的作用磁性颗粒发生磁聚而形成磁团磁链,受磁力作用,向磁极运动,进而被吸附在圆筒上(定期外排)。

工艺参数:全密闭、常压;

主要环境污染物:除磁杂质、设备机械噪声等。

筛分

工序描述将除磁后的物料经密闭的物料输送系统入全密闭自动分级机进行筛分筛上料直接进入包装工序进行包装、入库待销。

工艺参数:全密闭、常压;

主要环境污染物:颗粒物、设备机械噪声等。

包装
工序描述:本项目包装工序采用全自动包装系统进行塑料袋装+纸箱包装,产品规格为25kg/箱。

工艺参数:全密闭、常压;

主要环境污染物:粉尘、设备机械噪声等。

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