負極材料のグラファイト化プロセス

2025-03-26

1 グラファイト化

グラファイト化プロセスは、炭素材料を2300〜3000℃に加熱し、抵抗熱を十分に利用することによって、無定形炭素の混沌とした層構造が秩序のあるストーンインク結晶構造に変化するプロセスです。グラファイト結晶構造の変換と原子の再配置のエネルギーは、高温熱処理から来ます。熱処理温度が上がるにつれて、グラファイト層間隔は徐々に減少し、一般に0.343nmから0.346nmの間です。温度が2500℃に達すると変化が顕著になり、3000℃に達すると徐々に遅くなり、全体のグラファイト化プロセスが完了するまで続きます。人工グラファイト負極材料は、グラファイト化高温処理を通じて、炭素構造が成功裏にグラファイト構造に変換され、リチウム電池の負極の対応する機能を持ちます。

2. 負極材料のグラファイト化の主な炉の種類とプロセス

現在、負極材料のグラファイト化プロセスで使用される炉の種類は、アケソングラファイト化炉、内部系列グラファイト化炉、ボックスタイプグラファイト化炉、連続型グラファイト化炉などが含まれます。その中で最も一般的に使用されるのはアケソングラファイト化炉であり、少数の内部系列グラファイト化炉が使用されています。ボックスタイプグラファイト化炉と連続グラファイト化炉は最近開発された新しい炉のタイプです。ボックスタイプグラファイト化炉は急速に発展しており、主にアチソン炉の改良と一部の新設を通じて進められています。連続グラファイト化炉は新しく建設されており、まだテスト中で、その炉のタイプとプロセスは完全には成熟しておらず、広く使用されるまでにはある時間がかかるでしょう。

アチソン炉は、単孔（1穴の坩堝）坩堝に炭素負極材料を設置し、その後坩堝をグラファイト炉にロードし、抵抗体の間に抵抗材料を設置します。さらに、両側と上カバーには断熱材を設置し、電気伝導を通じてグラファイト化を完了します。内系列グラファイト炉は、ポーラス坩堝（9穴の坩堝）に炭素負極材料を設置し、その後坩堝をシリーズ接続モードでグラファイト炉に端対端に接続し、両側と上カバーには断熱材料を設置し、電気伝導を通じてグラファイト化を完了します。ボックスタイプのグラファイト炉は、炭素板または事前に設置されたグラファイト板を備えた大きなボックスに炭素負材料を直接ロードし、抵抗として炭素またはグラファイトのカバー板を追加し、上部と両側の保温材を通じて電気伝導によりグラファイト化を行います。連続グラファイト炉は、グラファイト炉室に炭素負極材料を連続的に追加し、高温グラファイト化後に冷却・排出を行います。

3.異なるグラファイト化炉プロセスにおける主要技術ポイント

陽極材料の処理プロセスは主に2つの主要なリンク、顆粒化とグラファイト化に分かれており、どちらも高い技術的バリアがあります。グラファイト化を通じて陽極材料を処理することで、陽極材料の比容量、初期効果、比表面積、圧縮密度、導電性、化学的安定性などの性能指標を大幅に改善できます。したがって、良好なグラファイト化技術を制御しマスターすることは、陽極材料の品質を保証するための重要なアプローチです。箱型炉と連続グラファイト化炉技術は十分に成熟していないため、以下ではアーチソン炉と内部系列グラファイト化炉のプロセスポイントについて紹介します。

3.1 アーチソン炉と内部系列炉（るつぼ）のロード

3.1.1 炉のロード中の揮発成分の配合

グラファイト化炉の温度が200～1000℃に上昇すると、大量の揮発成分が炉内の陰極から排出されます。揮発成分がタイムリーに排出されない場合、揮発成分の蓄積を引き起こし、スプレー炉の安全事故を引き起こす可能性があります。大量の揮発成分が逃げると、揮発成分の燃焼が不十分になり、大量の黒煙を生じて環境汚染や環境事故を引き起こすことになります。したがって、炉をロードする際には以下の点に注意が必要です：

(1) 陰極炉を設置する際には、揮発成分の含有量レベルに応じて合理的な配合を行い、送電過程で揮発成分の高濃度部分が過度に集中しないようにする必要があります;

(2) 隔熱材の上部に適切な通気孔を設け、効果的な排出を図ります;

(3) 電源曲線を設計する際には、揮発成分の集中排出段階で曲線を適切に遅くすることを充分に考慮し、揮発成分がゆっくりと排出され、完全に燃焼するようにする必要があります;

(4) 補助材料の合理的な選定を行い、補助粒子サイズの組成を確認し、補助材料中の0～1mmの粉末の量を減らすことが望ましく、一般的に10%未満であるべきです。

3.1.2 炉のロード時、炉抵抗は均一であるべき

陰極と抵抗材料が炉内に均等に分布していない場合、電流は抵抗の低い場所から流れ、偏流の現象が発生し、全体の炉陰極のグラファイト化の効果に影響を及ぼします。したがって、炉をロードする際には以下の点に注意が必要です：

(1) 炉をロードする際には、抵抗材料を炉内の頭から尾に長いラインで排出して、小さな粒子や大きな粒子が集中しないようにします;

(2) 古いるつぼと新しいるつぼを同じ炉に入れる場合も、合理的な配合が必要であり、新しいるつぼが層を持ち、古いるつぼが層を持つ現象はタブーとします;

(3) 側壁材料に抵抗材料が露出しないように避けること。

3.2 アケション炉および内部系列炉の電力供給

3.2.1 電力伝送中のアノード材料の電力曲線形成の基礎

カソード材料の異なる品質要求に応じて、低温材料（2,800 ℃）、中温材料（2,950 ℃）、高温材料（3,000 ℃）に分けられますが、グラファイゼーションの高温処理プロセスは通常2,250 ℃と3,000 ℃の間です。炉内のすべての位置が要求される温度に達するためには、高温プロセスを一定の時間保持する必要があります。炉内の温度均一性を確保するために、通常、炉の種類によって異なる時間を保持する必要があります。一般的に、高温を6〜30時間保持し、電力伝送プロセス中の炉抵抗の反発を防ぐために3〜6時間維持する必要があります。具体的な状況は、以下の技術的ポイントに基づいて探求し、形成する必要があります。

(1) 炉のコア、アノード材料、抵抗材料、るつぼ、炉の負荷量などに応じて異なる加熱曲線を選択する;

(2) 炉内のアノード材料および抵抗材料の揮発性に応じて異なる曲線を選択する必要があります。揮発性が高い場合は、より遅い加熱曲線を選択し、そうでない場合は、より速いものを選択する;

(3) 炉内のアノード材料および抵抗材料の灰分含量が高い場合や、アノード材料が相対的にグラファイゼーションが難しい場合は、電力伝送時間を適切に延長するべきです。

3.2.2 アノード材料の電力伝送プロセスで炉のインジェクション事故を防ぐ

アノード材料は粉状の材料であり、揮発成分が高く、放出が容易ではなく、アークや高い揮発成分によって炉の事故が発生しやすいため、具体的な操作プロセスでは以下の事項に注意する必要があります：

(1) アノード材料をアケション炉に設置する際、抵抗材料を上昇させ、電力伝送中にるつぼ間の浮遊した抵抗材料によるアークを避ける;

(2) 内部系列炉の負荷材料の変位変化は、電力伝送プロセスで主に減少します。したがって、負荷材料を炉に設置する際、油圧シリンダーのストロークを計算し、電力伝送プロセス中にストロークと十分な圧力が確保されるようにする必要があります。圧力の損失によるアーク噴霧炉事故を避けるためです;

(3) 両方の炉タイプには粗い粒子と低揮発性材料を選択するべきです;

(4) 電力伝送プロセス中に、炉内の局所加熱の有無に注視する;

(5) 電力伝送プロセス中に、炉の上部および炉壁に交差火現象があるかどうかに注意を払う必要があります；

(6) 発電過程において、炉内に低いうなり音が存在するかどうかに注意を払う必要があります。

(7) 電力伝送の過程で大きな電流の変動があるかどうかに細心の注意を払う必要があります。

(4)-(7) の現象が電力伝送の過程で発生した場合、炉の注入事故を避けるために、電源を適時切断するべきです。

3.3 冷却と焼成

(1) グラファイト化冷却の過程では、アノード材料を水を使って強制的に冷却することはできず、材料を層ごとにグラブバケットや吸引装置でつかんで自然に冷却することができます。

(2) アノード材料の炉は約150 ℃で除去するのがベストです。早期に炉を取り出さないと、高温によりアノード材料が酸化し、比表面積が増加し、炉の酸化損傷のコストも増加します。炉を取り出すのが遅すぎると、カソード粉体材料も酸化し、比表面積が増加し、生産サイクルが長くなり、コストが増加します。

(3) 3000 ℃の高温のグラファイト化の下で、C元素を除くすべての元素は蒸発して排出されます。しかし、冷却プロセスではカソードの表面に小量の不純物が吸着し、炉の表面には粗い硬い殻が形成され、高灰分、高揮発性材料がより硬い殻状材料を形成します。この理由から低灰分、低揮発性の添加剤を選択します。

(4) 硬い殻状材料の指標と合格したアノード材料の性能には大きな差がありますので、炉を取り出す際には1~5 mmの厚さの硬い殻状材料を事前に取り除き、別々に保管する必要があります。合格した材料は滑らかな表面を持つものを通常収集し、トンバッグに入れて保管し、顧客に引き渡します。