음극 재료 그래파이트화 과정

2025-03-26

1 그래파이트화

그래파이트화 과정은 탄소 재료가 저항 열을 충분히 이용하여 2300~3000 ℃로 가열되어, 혼란스러운 층 구조를 가진 비정질 탄소가 정Ordered 스톤 잉크 결정 구조로 변환되는 과정입니다. 그래파이트 결정 구조 변환 및 원자 재배열의 에너지는 고온 열처리에서 발생합니다. 열처리 온도가 증가함에 따라 그래파이트 층 간격이 점차 감소하며, 일반적으로 0.343 nm에서 0.346 nm 사이입니다. 온도가 2500 ℃에 도달하면 변화가 두드러지며, 3000 ℃에 도달하면 점차 느려져 그래파이트화 과정이 완료될 때까지 계속됩니다. 인공 그래파이트 음극 재료는 그래파이트화 고온 처리 과정을 통해 탄소 구조가 성공적으로 그래파이트 구조로 변환되어 리튬 배터리 음극에 해당하는 기능을 갖추게 됩니다.

2. 음극 소재의 그래파이트화에 대한 주로 사용되는 용광로 유형 및 공정

현재 음극 소재의 그래파이트화 공정에서 사용되는 용광로 유형은 주로 아케슨 그래파이트화 용광로, 내부 시리즈 그래파이트화 용광로, 박스형 그래파이트화 용광로 및 연속형 그래파이트화 용광로가 포함되며, 그 중 가장 일반적으로 사용되는 것은 아케슨 그래파이트화 용광로이고, 소수의 내부 시리즈 그래파이트화 용광로가 사용되고 있습니다. 박스형 그래파이트화 용광로와 연속형 그래파이트화 용광로는 최근 몇 년 동안 개발된 새로운 용광로 유형입니다. 박스형 그래파이트화 용광로는 급속하게 발전하고 있으며, 주로 아케슨 용광로의 개조 및 일부 신규 건설에 의해 이루어집니다. 연속형 그래파이트화 용광로는 새로 건설되었고 여전히 테스트 과정에 있으며, 그 용광로 유형과 공정이 완전히 성숙하지 않아 널리 사용되기까지는 시간이 좀 걸릴 것입니다.

아케슨 용광로는 카본 음극 소재를 단일 구멍(1구 구형) 도가니에 설치한 후, 그 도가니를 그래파이트화 용광로에 장착하고 저항재료를 저항 사이에 설치하며, 양측과 상단 덮개에 단열재를 장착하여 전기 전송을 통해 그래파이트화를 완료합니다. 내부 시리즈 그래파이트화 용광로는 카본 음극 소재를 다공성 도가니(9구 도가니)에 설치한 후, 그 도가니를 시리즈 연결 방식으로 그래파이트 용광로에 끝에서 끝으로 연결하고, 양측과 상단 덮개에 단열 재료를 장착하여 전기 전송을 통해 그래파이트화를 완료합니다. 박스형 그래파이트화 용광로는 카본 음극 재료를 미리 카본 판 또는 그래파이트 판이 장착된 대형 박스에 직접 장착하고, 저항으로 카본 또는 그래파이트 덮개판을 추가하며, 열 보존 재료를 그래파이트화가 전기 전송을 통해 이루어지도록 상단 및 양측에 장착합니다. 연속형 그래파이트화 용광로는 카본 음극 재료를 그래파이트화 용광로 챔버에 지속적으로 추가하고, 고온 그래파이트화 후 냉각 배출합니다.

3. 다양한 그래파이트화 용광로 공정의 주요 기술 포인트

음극 소재의 가공 과정은 주로 두 가지 핵심 링크인 구형화 및 그래파이트화로 나뉘며, 이 두 가지 모두 높은 기술 장벽을 가지고 있습니다. 그래파이트화를 통해 음극 소재의 비특정 용량, 첫 효과, 특정 표면적, 압축 밀도, 전도성, 화학적 안정성 등의 성능 지수를 크게 향상시킬 수 있으므로, 좋은 그래파이트화 기술을 제어하고 마스터하는 것은 음극 소재의 품질을 보장하기 위한 중요한 방법입니다. 박스형 용광로와 연속형 그래파이트화 용광로 기술이 완전히 성숙하지 않은 관계로, 다음에서는 아케슨 용광로와 내부 시리즈 그래파이트화 용광로의 공정 포인트에 대해 소개합니다.

3.1 아케슨 용광로와 내부 시리즈 용광로의 장착(도가니)

3.1.1 노에서의 휘발물 배출

그래파이트화 노의 온도가 200~1,000℃에 이를 때, 많은 양의 휘발물이 노의 음극에서 배출된다. 휘발물이 제때 배출되지 않으면 휘발물이 축적되어 분사 노의 안전 사고를 유발할 수 있다. 대량의 휘발물이 탈출할 때, 휘발물의 연소가 충분하지 않으면 많은 양의 검은 연기가 발생하여 환경 오염이나 환경 사고를 초래할 수 있다. 따라서 노 적재 시 다음 사항에 주의해야 한다:

(1) 음극 노를 설치할 때, 휘발물 함량 수준에 따라 합리적으로 배치하여 전력 전송 과정에서 고휘발물 부분의 과도한 농도와 집중을 피해야 한다;

(2) 절연재료의 상단에 적절한 공기구멍을 설정하여 효과적으로 배출할 수 있도록 한다;

(3) 전원 공급 곡선을 설계할 때, 휘발물의 집중 배출 단계에서 곡선을 적절히 완화시켜 휘발물이 천천히 배출되고 완전히 연소될 수 있도록 고려해야 한다;

(4) 보조 재료를 합리적으로 선택하여 보조 입자 크기의 조성을 확보하고, 보조 재료에서 0~1 mm 분말의 양을 줄이며, 일반적으로 10% 미만이 되도록 한다.

3.1.2 노 적재 시 저항이 균일해야 함

음극과 저항 재료가 노에서 고르게 분포되지 않을 경우, 전류는 저항이 낮은 곳에서 흐르게 되어 편향 전류 현상이 발생하며, 이는 전체 노 음극의 그래파이트화에 영향을 미친다. 따라서 노 적재 시 다음 사항에 주의해야 한다:

(1) 노 적재할 때 저항 재료는 노 챔버의 머리에서 꼬리까지 길게 배치하여 작은 입자 또는 큰 입자가 집중되지 않도록 해야 한다;

(2) 오래된 도가니와 새로운 도가니도 합리적으로 배치해야 하며, 새로운 도가니와 오래된 도가니가 각각 층을 이루는 현상을 피해야 한다;

(3) 저항 재료가 측벽 재료에 노출되지 않도록 해야 한다.

3.2 에이슨 노 및 내부 연속 노의 전원 공급

3.2.1 전원 전송 중 양극 재료의 전원 곡선 작성 기준

양극 재료의 품질 요구에 따라 저온 재료(2,800℃), 중온 재료(2,950℃), 고온 재료(3,000℃)로 구분할 수 있지만, 그래파이트화 고온 처리 과정은 일반적으로 2,250℃와 3,000℃ 사이로, 노의 모든 위치가 요구 온도에 도달하도록 하기 위해서는 일정 시간 고온 상태를 유지해야 한다. 노의 온도 균일성을 보장하기 위해 보통 노의 종류에 따라 다르게 시간 조절이 필요하며, 일반적으로 고온 상태는 6~30시간 유지해야 하며, 전원 전송 과정에서 노 저항이 반등하지 않도록 하기 위해서 3~6시간 유지해야 한다. 구체적인 상황은 다음 기술적 요소에 따라 탐색하고 작성해야 한다.

(1) 용광로 코어, 양극 재료, 저항 재료, 도가니, 용광로 적재량 등에 따라 다양한 가열 곡선을 선택하십시오;

(2) 용광로에서 양극 재료 및 저항 재료의 휘발물에 따라 서로 다른 곡선을 선택해야 합니다. 휘발물이 많다면 더 느린 가열 곡선을 선택해야 하고, 그렇지 않으면 더 빠른 곡선을 선택해야 합니다;

(3) 용광로 내 양극 재료와 저항 재료의 회분 함량이 높거나 양극 재료가 상대적으로 그래파이팅이 어려운 경우, 전력 전송 시간을 적절히 연장해야 합니다.

3.2.2 용광로 주입 사고 방지를 위한 양극 재료 전력 전송 과정

양극 재료는 분말 재료로 휘발물 함량이 높고 배출이 쉽지 않으며, 아크가 발생하기 쉽고 휘발물 함량이 높아 용광로 사고를 유발할 수 있으므로, 특정 작업 과정에서는 다음 사항에 주의해야 합니다:

(1) 양극 재료가 아체슨 용광로에 설치될 때, 전력 전송 중 도가니 사이에 뜬 저항 재료로 인해 아크가 발생하지 않도록 저항 재료를 서서히 올려야 합니다;

(2) 내부 직렬 용광로의 음극 재료 변위 변화는 전력 전송 과정에서 주로 감소합니다. 따라서 음극 재료가 용광로에 설치될 때, 유압 실린더의 스트로크를 계산하여 전력 전송 과정에서 스트로크와 충분한 압력이 있도록 하여 압력 손실로 인한 아크 분사 용광로 사고를 방지해야 합니다;

(3) 두 가지 용광로 유형 모두에서 고운 입자와 저휘발 재료를 선택해야 합니다;

(4) 전력 전송 과정에서 용광로 내 국부 가열 여부를 주의 깊게 살펴보아야 합니다;

(5) 전력 전송 과정에서 용광로 상단과 벽에 교차 화재 현상이 있는지 주의 깊게 살펴보아야 합니다;

(6) 전력 전송 과정에서 용광로 내 저소음이 있는지 주의 깊게 살펴보아야 합니다;

(7) 전력 전송 과정에서 전류의 큰 변동이 있는지 주의 깊게 살펴보아야 합니다.

(4)-(7) 현상이 전력 전송 과정에서 발생할 경우, 용광로 주입 사고를 방지하기 위해 시기 적절하게 전력을 차단해야 합니다.

3.3 냉각 및 구워내기

(1) 그래파이팅 냉각 과정에서 양극 재료를 물로 강제로 냉각할 수 없으며, 집게 버킷이나 흡입 장치를 사용하여 재료를 층별로 자연적으로 냉각할 수 있습니다;

(2) 양극 재료 도가니는 약 150 ℃에서 최적이며, 도가니를 조기에 제거할 경우 고온으로 인해 양극 재료가 산화되어 비표면적이 증가하고, 이는 도가니의 산화 손상 비용 증가로 이어집니다. 도가니를 너무 늦게 꺼내면 음극 분말 재료 또한 산화되어 비표면적이 증가하고 생산 주기가 길어지며 비용이 증가합니다.

(3) 3000 ℃의 고온 그래파이팅 과정에서 C 이외의 모든 원소가 기화되어 배출됩니다. 그러나 냉각 과정에서 음극 표면에 흡착되는 소량의 불순물이 여전히 남아 있으며, 크루서블 표면에는 거칠고 단단한 껍질 층이 형성되어 고유의 재와 고 휘발성 물질로 인해 더 강력한 껍질 재료가 형성됩니다. 이러한 이유로 저재와 저휘발성 보조제를 선택합니다.

(4) 하드 셸 재료와 적격 음극 물질의 성능 차이가 크므로 크루서블을 꺼낼 때는 먼저 1~5mm 두께의 하드 셸 재료를 떨어뜨려 별도로 보관해야 하며, 매끄러운 표면의 적격 재료는 일반적으로 수집되어 톤백에 넣어 보관 및 고객에게 배송됩니다.