负极材料石墨化主流工艺及技术要点

科技 2024-12-25 21:50 云南

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一、石墨化

石墨化过程是充分利用电阻热把炭质材料加热到2300~3000℃，使无定形乱层结构的炭转化成有序的石墨晶质结构的过程。石墨晶质结构转化、原子重排的能量来源于高温热处理，随着热处理温度的提高，石墨层间距逐渐变小，一般在0.343~0.346nm之间，一般温度到2500℃时变化显著，到3000℃时变化逐渐缓慢，直至完成整个石墨化过程。人造石墨负极材料正是通过石墨化高温处理，将炭结构成功转化为石墨结构而具备锂电池负极的相应功能。

二、负极材料石墨化主流炉型及工艺

目前负极材料石墨化过程采用的炉型主要有艾奇逊石墨化炉、内串石墨化炉、箱式石墨化炉及连续式石墨化炉等4种，其中使用最为普遍的是艾奇逊石墨化炉，少量使用内串石墨化炉。箱式石墨化炉和连续石墨化炉是近几年开发的新型炉型，箱式石墨化炉发展速度较快，主要是通过艾奇逊炉改造和部分新建。连续式石墨化炉均为新建且仍在尝试过程中，其炉型和工艺均不完全成熟，真正广泛使用还有待时日。因各种炉型的装炉方式和生产工艺、辅料使用等方面均具有较大差别，所以不同炉型所生产的负极材料质量也存在明显差异。

艾奇逊炉是将炭质负极材料装在单孔（1孔坩埚）坩埚内，再将坩埚装入石墨化炉内并间装电阻料作电阻，两侧和上盖装入保温料后通过送电完成石墨化。内串石墨化炉是将炭质负极材料装在多孔坩埚内（9 孔坩埚），然后将坩埚通过串接方式首尾相连装入石墨炉内，两侧和上盖装入保温料后通过送电完成石墨化。箱式石墨化炉是将炭质负材料直接装入事先用炭板或石墨板安装好的大箱体内，再加上炭质或石墨质盖板作为电阻，上部和两侧装入保温料后通过送电完成石墨化。连续石墨化炉是将炭质负极材料连续加入石墨化炉腔体内，经过高温石墨化后冷却排出。

三、不同石墨化炉工艺过程中的技术要点

负极材料的加工过程主要分为造粒和石墨化2个关键环节，并且都有很高的技术壁垒。负极材料通过石墨化能够显著提高负极材料的比容量、首效、比表面积、压实密度、导电性、化学稳定性等性能指标，所以控制和掌握好石墨化工艺技术是保障负极材料质量的重要途径，由于箱式炉和连续石墨化炉工艺还不完全成熟，下面就重点对艾奇逊炉和内串石墨化炉的工艺要点进行简介。

（1）装炉时挥发分搭配

由于石墨化炉内温度在 200~1000℃期间时，炉内的负极会排出大量挥发分，如不能及时排出可能造成挥发分聚集，造成喷炉的安全事故。在挥发分大量逸出时，挥发分燃烧不充分，会产生大量的黑色烟气，造成环境污染或环保事故。因此，装炉时需注意以下几点：

1、负极装炉时，需按照挥发分含量高低进行合理搭配，避免送电过程中高挥发分部分过度集中和集中逸出；

2、在顶部保温料上需设置适当的通气孔，便发挥发分有效逸出；

3、设计送电曲线时，需充分考虑挥发分集中排放阶段应适当放缓曲线，使挥发分缓慢排出并充分燃烧；

4、合理选择辅料，保证粒度组成，减少辅料中0~1mm的粉料量，一般占比量≤10%。

（2）装炉时需炉阻均匀

炉内负极、电阻料分布不均匀时，电流会从电阻低的地方流过，发生偏流现象，影响整炉负极石墨化的效果。因此，装炉时需要注意以下几点：

1、装炉时电阻料需从炉室的头到炉室的尾长线放料，避免小颗粒或大颗粒集中；

2、新旧坩埚装入同一炉时也需要进行合理搭配，禁忌新坩埚装一层，旧坩埚装一层的现象；

3、避免电阻料露入边墙料中。

（3）冷却出炉