概述

鋰離子電池是一種環(huán)境友好型高性能可再生能源，主要用于汽車(chē)動(dòng)力電池、 IT 行業(yè)的移動(dòng)電話、筆記本電腦、攝像機(jī)、通訊設(shè)備和機(jī)電產(chǎn)業(yè)，為深入貫徹黨中央“碳中和”“碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)，落實(shí)實(shí)施《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》的宏偉藍(lán)圖，帶動(dòng)以電動(dòng)車(chē)應(yīng)用為代表的動(dòng)力電源領(lǐng)域迅速發(fā)展。

隨著鋰電池的用量越來(lái)越大，對(duì)鋰電池負(fù)極材料的需求也明顯增加。負(fù)極材料作為鋰電池核心材料之一，對(duì)鋰電池的最終性能起著至關(guān)重要的作用，目前負(fù)極材料以技術(shù)成熟、價(jià)格優(yōu)勢(shì)的石墨類(lèi)負(fù)極材料為主。

石墨類(lèi)負(fù)極材料導(dǎo)電性好，結(jié)晶度較高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)及很高的石墨化度，適合鋰離子的嵌入脫嵌，其外觀呈銀黑金屬光澤，充放電比容量可達(dá) 360MAH/G，充放電效率在 91%以上，不可逆容量低于 30MAH/G，鋰在石墨中脫嵌反應(yīng)發(fā)生在 0～0.25V 左右，具有良好的沖放電平臺(tái)。

工藝原理

石墨類(lèi)負(fù)極材料是指將無(wú)定型碳通過(guò)高溫使其轉(zhuǎn)化為有序的六角網(wǎng)狀二維結(jié)構(gòu)的石墨微晶的石墨化材料，提高負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰容量。在達(dá)到石墨化溫度的情況下，原料中固有的部分雜質(zhì)灰份可轉(zhuǎn)化氧化物揮發(fā)逸出，特別是微量元素鐵等磁性物。石墨晶體呈層狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的各向異性，很容易與其它物質(zhì)發(fā)生插層反應(yīng)，插層反應(yīng)的生成物稱(chēng)為石墨層間化合物（GIC），被插入的物質(zhì)被稱(chēng)為插入物。

石墨的嵌鋰過(guò)程是 Li+嵌入石墨層間的過(guò)程，隨著鋰在石墨中嵌入量的增加，石墨材料的儲(chǔ)鋰容量增加。目前的技術(shù)途徑主要是采用炭素工業(yè)常用的艾奇遜石墨化爐經(jīng)過(guò) 3000℃以上的溫度處理，才能達(dá)到較高的容量。石墨化加工工序在石墨類(lèi)負(fù)極材料制造中具有極為重要的作用。理想石墨嵌入 Li+形成 LiC6 時(shí)的理論比容量為372mAh/g，而非理想石墨的理論比容量可采用下面的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的估算∶克比容量與石墨化度的關(guān)系∶372mAh/g×G=372mAh/g×0.93=346mAh/g。

由于內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致在宏觀表現(xiàn)的理化性質(zhì)亦不同，主要炭素制品通過(guò)石墨化可以達(dá)到下列目的∶①提高產(chǎn)品的電、熱傳導(dǎo)性;②提高產(chǎn)品的抗熱沖擊性和化學(xué)穩(wěn)定性;③使產(chǎn)品具有潤(rùn)滑性、抗磨性;④排除雜質(zhì)、提高純度。

工藝流程

生產(chǎn)工序?yàn)槟シ?、整形、包覆、造粒、碳化、石墨化、后處理（除磁整形）、出料包裝等。石墨負(fù)極高溫處理是艾奇遜爐利用焦耳楞次定律，在爐芯通過(guò)電流產(chǎn)生焦耳熱，可以根據(jù)需要將產(chǎn)品加熱到指定高溫。具體過(guò)程如下：

1. 磨粉整形
   作為電極材料的石墨粉應(yīng)具有窄粒度分布、高振實(shí)密度的特點(diǎn)，故需對(duì)原料石墨進(jìn)行磨粉處理，將5-10mm 粒徑的原輔材料按照要求磨至 15μm 左右。
2. 包覆造粒
   磨制好的物料，是分散不均勻的，需要與瀝青按比例配好后投入到加熱式包覆機(jī)中進(jìn)行包覆，使物料分布均勻，使瀝青均勻地包裹在石墨粉粒的表面。
3. 碳化
   碳化過(guò)程在隔絕空氣條件下加熱，按一定的升溫曲線加熱，在1200~1500℃的溫度下，使瀝青完全炭化成焦。瀝青炭化后形成的瀝青焦將粉料顆粒固結(jié)在一起，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較低的電阻率、較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。
4. 石墨化
   石墨化是指碳在高溫作用下轉(zhuǎn)化為石墨的過(guò)程。碳化后物料經(jīng)高溫石墨化處理，將碳材料亂層結(jié)構(gòu)的碳原子晶格，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S有序的層狀結(jié)構(gòu)。
5. 磁選
   石墨化產(chǎn)出的負(fù)極材料含有一定的雜質(zhì)，利用除鐵機(jī)降低物料中的磁性物質(zhì)及含鐵物質(zhì)成分，將鐵含量降至鋰電池負(fù)極材料的磁性物質(zhì)產(chǎn)品要求(≤0.1ppm)。
6. 檢驗(yàn)、包裝
   經(jīng)除鐵工序的物料經(jīng)檢驗(yàn)合格后送入包裝機(jī)中分裝。不合格品返回石墨化裝料工序再利用。
7. 填充料篩選分級(jí)
   經(jīng)過(guò)真空吸料裝置收集的填充料經(jīng)過(guò)密閉的皮帶輸送機(jī)輸送至密封振動(dòng)篩對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后的煅后石油焦粒和部分石油焦粉回用作為填充料。

原料簡(jiǎn)介一：天然石墨

球形石墨系以優(yōu)質(zhì)高碳天然鱗片石墨為原料，采用先進(jìn)加工工藝對(duì)石墨表面進(jìn)行改性處理，得到的不同細(xì)度、形似橢圓球形的石墨產(chǎn)品。球形石墨材料因具有良好的導(dǎo)電性，結(jié)晶度高，

成本低，理論嵌鋰容量高，充放電電位低且平坦等特點(diǎn)，是目前作為鋰離子電池負(fù)極材料重要部分。

石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)。石墨由于其特殊結(jié)構(gòu)，而具有如下特殊性質(zhì)：

1)耐高溫型:石墨的熔點(diǎn)為 3850±50℃，沸點(diǎn)為 4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在 2000℃時(shí)，石墨強(qiáng)度提高一倍。

2)導(dǎo)電、導(dǎo)熱性:石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高-百倍。導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。

3)潤(rùn)滑性:石墨的潤(rùn)滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好。

4)化學(xué)穩(wěn)定性:石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。

5)可塑性:石墨的韌性好，可制成很薄的薄片。

6)抗熱震性:石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

原料簡(jiǎn)介二：煅后石油焦

石油焦是黑色或暗黑色堅(jiān)硬固體石油產(chǎn)品，帶有金屬光澤，呈多孔性，是由微小石墨結(jié)晶形成粒狀、柱狀或針狀構(gòu)成的炭體物。煅后石油焦是黑色或暗灰色堅(jiān)硬固體石油產(chǎn)品，帶有金屬光澤，呈多孔性，是由微小石墨結(jié)晶形成粒狀、柱狀或針狀構(gòu)成的炭體物。石油焦組分是碳?xì)浠衔?，含?90-97%，含氫 1.5-8%。石油焦是延遲焦化裝置的原料油在高溫下裂解生產(chǎn)輕質(zhì)油品時(shí)的副產(chǎn)物。石油焦的產(chǎn)量約為原料油的 25-30%。其低位發(fā)熱量約為煤的 1.5-2 倍，灰分含量不大于 0.5%，揮發(fā)分約為 11%左右，品質(zhì)接近于無(wú)煙煤。按熱處理溫度區(qū)分，石油焦可分為生焦和煅后焦兩種，生焦由延遲焦化所得，含有大量的揮發(fā)分，機(jī)械強(qiáng)度低。煅后焦是生焦經(jīng)煅燒而得，煅燒溫度一般在 1400℃左右，煅燒目的是將石油焦揮發(fā)分盡量除掉。這樣可減少石油焦再制品的氫含量，使石油焦的石墨化程度提高，從而提高石墨電極的高溫強(qiáng)度和耐熱性能，并改善了石墨電極的電導(dǎo)率。