全球新能源行業(yè)的高速發(fā)展，使得鋰電池等儲(chǔ)能設(shè)備需求也水漲船高。鋰離子電池由正負(fù)極、隔膜和電解液等四大主要原材料組成，其中負(fù)極材料對鋰離子電池能量密度、循環(huán)壽命和倍率（快充）性能有很大影響。由于石墨成本低的同時(shí)，還具有穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子快速脫嵌，具備高容量，高倍率，低溫性能好等電化學(xué)性能優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的負(fù)極材料，在2022年，人造石墨更是市場占據(jù)了負(fù)極材料市場的84%，成為了主流的負(fù)極材料。人造石墨負(fù)極材料的生產(chǎn)主要要經(jīng)過破碎、造粒、石墨化、篩分除磁四大工序，破碎和篩分相對簡單，造粒和石墨化技術(shù)含量和技術(shù)壁壘高。

什么是石墨化？

石墨是碳的一種同素異形體，只含有碳元素，日常生活中使用的鉛筆就是由石墨制成的。除了石墨，煤炭、金剛石、石墨烯、富勒烯等都是碳，他們之間的區(qū)別是碳原子的排列不同。石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體，由一層一層的碳平面堆疊而成，為六邊形的層狀結(jié)構(gòu)。層與層之間屬于分子晶體，幾乎沒有聯(lián)系，使得它具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但在同一平面層中，各個(gè)碳原子相互手拉手，聯(lián)系緊密，所以石墨的熔點(diǎn)很高，化學(xué)性質(zhì)也穩(wěn)定。

石墨、金剛石、富勒烯碳原子排列

石墨化，通俗講就是其它晶體結(jié)構(gòu)的碳物質(zhì)，轉(zhuǎn)化成石墨晶體結(jié)構(gòu)的過程。它是將石油焦或針狀焦等無定型炭置于石墨化爐內(nèi)保護(hù)介質(zhì)中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚瑥亩沽翘荚悠矫婢W(wǎng)格從二維空間的無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間有序重疊的石墨晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。在石墨化過程中，隨著溫度的提高，石墨層間距逐漸變小，到 2 500 ℃時(shí)變化顯著，當(dāng)溫度達(dá)到3000 ℃時(shí)變化逐漸緩慢，直至完成整個(gè)石墨化過程。由于石墨化能夠顯著提升負(fù)極材料的比容量、首效、比表面積、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性能及機(jī)械加工性能，是保障負(fù)極材料質(zhì)量的關(guān)鍵工序。由于石墨化過程需要使用高溫?zé)崽幚恚?300℃-3000℃）對原子重排及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量，屬于高能耗生產(chǎn)環(huán)節(jié)，工業(yè)上只有通過電加熱方式才能實(shí)現(xiàn)。目前負(fù)極材料石墨化設(shè)備按運(yùn)行方式有艾奇遜石墨化爐、內(nèi)串石墨化爐、箱式石墨化爐和連續(xù)式石墨化爐等。

影響石墨化的因素有哪些？

作為人造石墨負(fù)極材料工序中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，石墨化的程度對于鋰電池的性能有重大影響。以下是整理的影響石墨化程度的幾大因素——

1.原料

由于不同的無定形碳的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)的不同，碳化后這些原子團(tuán)的聚集狀態(tài)也不一樣。易石墨化的程度也就不同。一般以內(nèi)部結(jié)構(gòu)是平行定向堆積，還是雜亂交錯(cuò)堆積來區(qū)分原料石墨化的難易程度。微晶排列規(guī)則, 多以平行堆砌為主, 經(jīng)過2000℃ 以上高溫處理后容易轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)的稱為易石墨化炭，也稱為軟炭；微晶排列不規(guī)則, 微晶之間存在較強(qiáng)交聯(lián), 內(nèi)部多微孔，含有大量的氧及氫氧團(tuán)即使經(jīng)過高溫處理也難以獲得晶體石墨材料的稱為不可石墨化炭，也稱硬碳，可用于鈉離子電池的負(fù)極材料。

軟碳、硬碳微觀結(jié)構(gòu)

目前人造石墨的骨料主要分為煤系、石油系以及煤和石油混合系三大類。由于煤系針狀焦、石油系針狀焦以及石油焦在同等溫度下，更易轉(zhuǎn)變?yōu)槭w，屬于易石墨化炭，應(yīng)用最廣。一般來講，高比容量的負(fù)極采用針狀焦作為原材料，普通比容量的負(fù)極采用價(jià)格更便宜的石油焦作為原料，瀝青則作為粘結(jié)劑。

除了不同系列的原料石墨化難易程度不同外，同屬一個(gè)系列的易石墨化碳（如針狀焦系列）通常也會(huì)受到產(chǎn)地因素的影響，造成其成分有差異，易石墨化的程度也會(huì)略有偏差。比如硫等雜質(zhì)的影響，一方面容易導(dǎo)致制品產(chǎn)生氣漲現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋。另一方面，雜質(zhì)原子不同程度地侵入碳原子的點(diǎn)陣中，并在碳原子的點(diǎn)陣中占據(jù)位置，造成石墨晶格缺陷，使制品的石墨化程度降低。因此，在石墨制品生產(chǎn)中，選擇易石墨化、雜質(zhì)少的原料是生產(chǎn)好制品的先決條件。

2.溫度

高溫是碳轉(zhuǎn)變成石墨的主要外界條件，同種碳材料，溫度越高，電阻率越低，相鄰晶層距離越小，石墨化程度越好。比如石油焦在1700℃開始進(jìn)行石墨化，一直到2300℃以上才接近于理想石墨結(jié)構(gòu)。

石油焦不同溫度時(shí)的石墨化程度

不同的炭材料，開始石墨化轉(zhuǎn)變的溫度也不同。石油焦一般在1700℃就開始石墨化，而瀝青焦則要在2000℃左右才能進(jìn)入石墨化的轉(zhuǎn)化階段。

3.高溫下的停留時(shí)間

在石墨實(shí)際生產(chǎn)過程中，石墨化爐芯是由不同規(guī)格的碳制品和電阻料構(gòu)成的，導(dǎo)致各部位爐阻也不相同，使得電流密度不均，各處轉(zhuǎn)化成的熱能也不均，也從而造成爐內(nèi)各部位溫度的不一致。所以，同一石墨化爐內(nèi)，爐芯中央部位和邊緣部位也存在一定的溫差。為了保證整個(gè)爐芯的最高溫度基本一致，在達(dá)到最高溫度后，常常需要保持一段時(shí)間。

小結(jié)

原料是影響石墨化程度的最關(guān)鍵因素，其骨料種類決定了石墨化能否進(jìn)行，純度影響石墨化程度和成品品質(zhì)。溫度及高溫停留時(shí)間則是碳轉(zhuǎn)變成石墨的主要外界條件。除了以上因素外，提高壓力、添加硼、鐵、硅、鈦、鎳、鎂等作為催化劑在理論上也對石墨化程度有促進(jìn)作用。在石墨化的過程中，生產(chǎn)廠家應(yīng)控制好關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，選擇適合的生產(chǎn)設(shè)備和工藝來提升產(chǎn)能、節(jié)約能源。

參考來源：

鋰電池負(fù)極材料人造石墨生產(chǎn)工藝（高端碳材料）

石墨化概述—影響石墨化的因素（南墅石墨礦）

負(fù)極材料石墨化主流工藝及技術(shù)要點(diǎn)，高風(fēng)揚(yáng),王利儒（寶方炭材料科技有限公司）

主流負(fù)極石墨化工藝詳解（SMM石墨負(fù)極）

粉體圈Corange

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