隨著全球新能源汽車的快速發(fā)展，鋰電池正極材料的市場(chǎng)需求急劇下降。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，行業(yè)前八家鋰電池正極企業(yè)2021年計(jì)劃改造近百萬噸產(chǎn)能，其中石墨化環(huán)節(jié)對(duì)正極材料的指標(biāo)和成本影響最大。 國外石墨化設(shè)備類型多、能耗高、污染重、手工化程度低，一定程度上限制了石墨正極材料的發(fā)展。 這是目前正極材料的生產(chǎn)工藝。 是當(dāng)前亟待解決的主要問題。

1陰極石墨化爐的現(xiàn)狀及比較

1.1 艾奇遜陰極石墨化爐

在傳統(tǒng)電極艾奇遜爐石墨化爐的基礎(chǔ)上改進(jìn)的爐型。 原爐內(nèi)放置石墨坩堝作為正極材料的載體（坩堝內(nèi)放置碳化的正極原料），爐芯內(nèi)填充加熱內(nèi)阻材料。 內(nèi)層采用保溫材料和爐壁保溫。 通電后，內(nèi)阻材料發(fā)熱形成2800-3000℃的低溫，間接加熱坩堝內(nèi)的正極材料，最終實(shí)現(xiàn)正極材料的低溫石墨化，如圖1.

1.2 肺熱系列石墨化爐

該爐型借鑒了用于石墨電極生產(chǎn)的系列石墨化爐。 多個(gè)電極坩堝（內(nèi)裝有正極材料）水平串聯(lián)。 電極坩堝既是載體又是加熱元件。 電壓通過電極坩堝形成低溫，直接加熱內(nèi)部正極材料。 石墨化工藝不使用內(nèi)阻材料，簡(jiǎn)化了安裝工藝操作，減少了內(nèi)阻材料的蓄熱損失，節(jié)省了能耗，如圖2所示。

1.3 網(wǎng)格箱石墨化爐

近年來這種爐型的使用越來越多。 主要借鑒了傳統(tǒng)艾奇遜石墨化爐和串聯(lián)石墨化爐的技術(shù)特點(diǎn)。 爐芯采用多塊陽極板組成柵格式料箱結(jié)構(gòu)。 放入正極原料，用四面帶槽的連接柱固定陽極板。 每個(gè)材料盒的頂部和底部均采用相同材料的陽極板密封。 組成料箱結(jié)構(gòu)的立柱和陽極板共同構(gòu)成加熱元件。 電壓通過爐頭電極傳送至爐芯加熱元件，形成的低溫直接加熱箱內(nèi)正極材料，達(dá)到石墨化的目的，如圖3所示。

1.4 三種石墨化爐型比較

肺熱系列石墨化爐依靠空心石墨電極產(chǎn)生熱量直接加熱物料。 電壓通過電極坩堝形成的“焦耳熱”大部分用于加熱材料和坩堝。 加熱速度快，溫度分布均勻，熱效率較高。 傳統(tǒng)的采用內(nèi)阻材料產(chǎn)生熱量的艾奇遜爐則更高。 網(wǎng)格箱式石墨化爐借鑒了肺熱系列石墨化爐的優(yōu)點(diǎn)，采用成本較低的預(yù)焙陽極板作為加熱元件。 爐子容量比串聯(lián)爐大，單位產(chǎn)品能耗也相應(yīng)。 增加。 三種常見石墨化爐類型的比較如表1所示。

2 正極石墨化爐的發(fā)展方向

2.1 優(yōu)化圍墻外墻結(jié)構(gòu)

目前，幾種石墨化爐的爐膛保溫層主要是爐芯周圍填充的炭黑和石油焦。 這部分絕緣材料在生產(chǎn)和預(yù)生產(chǎn)過程中會(huì)在低溫下被氧化和燒蝕。 每次安裝都需要更換或補(bǔ)充部分周圍的絕緣材料。 更換過程中環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度高。

一種可能的考慮是使用特殊的高硬度、低溫砂漿回填爐墻粘土磚，以增加整體硬度并確保外墻在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)保持穩(wěn)定。 同時(shí)，磚縫密封性好，有效防止過多空氣穿墻開裂、開裂。 磚之間的間隙進(jìn)入爐內(nèi)，減少絕緣材料和陰極材料的氧化和燒蝕；

二是在爐壁外側(cè)懸掛安裝大型互連保溫層，如采用高硬度纖維板或硅酸鈣板等，在加熱階段起到有效的密封和保溫作用，并且可以冷卻階段可輕易移除，以利于快速冷卻； 三是在爐底和爐壁上設(shè)置通風(fēng)道。 通風(fēng)管道采用預(yù)制陰孔格子磚組合結(jié)構(gòu)。 它們還配備低溫水泥回填，冷卻階段考慮強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。

2.2 通過數(shù)值模擬優(yōu)化功率傳輸曲線

目前，正極石墨化爐的功率傳輸曲線是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定的。 石墨化過程中根據(jù)水溫和爐況隨時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)。 沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 優(yōu)化加熱曲線可以顯著降低能耗指標(biāo)，也是烘箱安全運(yùn)行的可靠保證。 應(yīng)采用科學(xué)手段根據(jù)各種邊界條件和物理參數(shù)構(gòu)建有針對(duì)性的數(shù)值模型，分析石墨化過程中電流、電壓、總功率與截面空氣溫度分布的關(guān)系，從而制定合適的加熱方案曲線，并在實(shí)際運(yùn)行過程中不斷調(diào)整。 例如，在送電初期采用大功率送電，然后快速增加功率然后溫度緩慢上升，在送電結(jié)束時(shí)再次增加功率，直至送電結(jié)束。 傳輸曲線如圖4所示。

2.3延長(zhǎng)坩堝和加熱元件的使用壽命

除了能耗之外，坩堝和加熱元件的壽命也直接決定陰極石墨化的成本。 對(duì)于石墨坩堝和石墨加熱元件，采用公開的生產(chǎn)管理體系，合理控制加熱和冷卻速度，手動(dòng)美容坩堝生產(chǎn)線，加強(qiáng)密封避免氧化，可以減少坩堝的循環(huán)次數(shù)，有效降低成本的石墨化。 對(duì)于網(wǎng)格箱石墨化爐的加熱板，除上述措施外，還可以采用內(nèi)阻較高的預(yù)焙陽極、電極或成型碳質(zhì)材料作為加熱元件，以節(jié)省石墨化成本。

2.4 煙氣處理及余熱利用

石墨化過程中形成的煙霧主要來自正極材料逸出的揮發(fā)物及部分燃燒產(chǎn)物、表面碳燒蝕、漏氣等。在爐啟動(dòng)初期，大量的揮發(fā)物和煙霧逸出，車間環(huán)境惡劣。 大多數(shù)企業(yè)沒有有效的應(yīng)對(duì)措施。 這是目前影響正極生產(chǎn)操作人員職業(yè)健康安全的最大問題。 應(yīng)加強(qiáng)力度，綜合考慮車間煙塵的有效收集和處理，通過合理的通風(fēng)措施提高車間體溫，改善石墨化車間的工作環(huán)境。

收集到的煙氣可通過煙道在燃燒室中混合燃燒，以除去煙氣中的大部分焦油和煙灰。 預(yù)計(jì)燃燒室煙氣溫度在800℃以上，可通過余熱蒸汽爐。 或采用管殼式換熱器回收煙氣余熱。 還可以借鑒碳瀝青煙氣處理中采用的RTO焚燒技術(shù)，將瀝青煙氣加熱至850-900℃，通過蓄熱燃燒的方法，將煙氣中的瀝青及揮發(fā)物等聚環(huán)丁二烯物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，最終分解為CO2和H2O，有效凈化效率可達(dá)99%以上。 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，開工率高。

2.5臥式連續(xù)陰極石墨化爐

上述幾種石墨化爐是目前國外正極材料生產(chǎn)的主要爐型結(jié)構(gòu)。 其共同點(diǎn)是周期性間歇生產(chǎn)、熱效率低、人工操作、自動(dòng)化程度低。 借鑒石油焦焙燒爐和鋁土礦焙燒豎窯的爐型，可開發(fā)類似的臥式連續(xù)陰極石墨化爐。 采用內(nèi)阻電弧作為低溫?zé)嵩?，物料靠自身重力連續(xù)給料。 出口區(qū)采用常規(guī)風(fēng)冷或汽化冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)低溫物料進(jìn)行冷卻。 爐外卸料和裝料采用粉體氣力輸送系統(tǒng)。 該型爐可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，爐體蓄熱損失可忽略不計(jì)，因此熱效率顯著提高，產(chǎn)值和煤耗具有顯著優(yōu)勢(shì)，并可實(shí)現(xiàn)全手動(dòng)操作。

圖5是某公司處于實(shí)驗(yàn)階段的連續(xù)式粉末石墨化爐。 急需解決的主要問題是粉末的流動(dòng)性、石墨化程度的均勻性、安全性、溫度檢測(cè)和冷卻等。 化學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。

3 結(jié)論

石墨化工藝是困擾鋰電池正極材料廠商的最大難題。 根本原因是目前廣泛使用的幾種周期性石墨化爐在能耗、成本、環(huán)保、自動(dòng)化程度、安全性等方面還存在問題。 行業(yè)未來的趨勢(shì)是向全人工組織排放連續(xù)生產(chǎn)的爐體結(jié)構(gòu)發(fā)展，并配備成熟可靠的輔助工藝設(shè)施。 屆時(shí)，困擾企業(yè)的石墨化問題將得到明顯改善，行業(yè)將進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，推動(dòng)新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。