隨著全球新能源汽車的快速發展，鋰電池正極材料的市場需求急劇下降。 據統計，行業前八家鋰電池正極企業2021年計劃改造近百萬噸產能，其中石墨化環節對正極材料的指標和成本影響最大。 國外石墨化設備類型多、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展。 這是目前正極材料的生產工藝。 是當前亟待解決的主要問題。

1陰極石墨化爐的現狀及比較

1.1 艾奇遜陰極石墨化爐

在傳統電極艾奇遜爐石墨化爐的基礎上改進的爐型。 原爐內放置石墨坩堝作為正極材料的載體（坩堝內放置碳化的正極原料），爐芯內填充加熱內阻材料。 內層采用保溫材料和爐壁保溫。 通電后，內阻材料發熱形成2800-3000℃的低溫，間接加熱坩堝內的正極材料，最終實現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的系列石墨化爐。 多個電極坩堝（內裝有正極材料）水平串聯。 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，直接加熱內部正極材料。 石墨化工藝不使用內阻材料，簡化了安裝工藝操作，減少了內阻材料的蓄熱損失，節省了能耗，如圖2所示。

1.3 網格箱石墨化爐

近年來這種爐型的使用越來越多。 主要借鑒了傳統艾奇遜石墨化爐和串聯石墨化爐的技術特點。 爐芯采用多塊陽極板組成柵格式料箱結構。 放入正極原料，用四面帶槽的連接柱固定陽極板。 每個材料盒的頂部和底部均采用相同材料的陽極板密封。 組成料箱結構的立柱和陽極板共同構成加熱元件。 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正極材料，達到石墨化的目的，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。 傳統的采用內阻材料產生熱量的艾奇遜爐則更高。 網格箱式石墨化爐借鑒了肺熱系列石墨化爐的優點，采用成本較低的預焙陽極板作為加熱元件。 爐子容量比串聯爐大，單位產品能耗也相應。 增加。 三種常見石墨化爐類型的比較如表1所示。

2 正極石墨化爐的發展方向

2.1 優化圍墻外墻結構

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和預生產過程中會在低溫下被氧化和燒蝕。 每次安裝都需要更換或補充部分周圍的絕緣材料。 更換過程中環境惡劣，勞動強度高。

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運行周期內保持穩定。 同時，磚縫密封性好，有效防止過多空氣穿墻開裂、開裂。 磚之間的間隙進入爐內，減少絕緣材料和陰極材料的氧化和燒蝕；

二是在爐壁外側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置通風道。 通風管道采用預制陰孔格子磚組合結構。 它們還配備低溫水泥回填，冷卻階段考慮強制通風冷卻。

2.2 通過數值模擬優化功率傳輸曲線

目前，正極石墨化爐的功率傳輸曲線是根據經驗制定的。 石墨化過程中根據水溫和爐況隨時手動調節。 沒有統一的標準。 優化加熱曲線可以顯著降低能耗指標，也是烘箱安全運行的可靠保證。 應采用科學手段根據各種邊界條件和物理參數構建有針對性的數值模型，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系，從而制定合適的加熱方案曲線，并在實際運行過程中不斷調整。 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，在送電結束時再次增加功率，直至送電結束。 傳輸曲線如圖4所示。

2.3延長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。 對于石墨坩堝和石墨加熱元件，采用公開的生產管理體系，合理控制加熱和冷卻速度，手動美容坩堝生產線，加強密封避免氧化，可以減少坩堝的循環次數，有效降低成本的石墨化。 對于網格箱石墨化爐的加熱板，除上述措施外，還可以采用內阻較高的預焙陽極、電極或成型碳質材料作為加熱元件，以節省石墨化成本。

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物及部分燃燒產物、表面碳燒蝕、漏氣等。在爐啟動初期，大量的揮發物和煙霧逸出，車間環境惡劣。 大多數企業沒有有效的應對措施。 這是目前影響正極生產操作人員職業健康安全的最大問題。 應加強力度，綜合考慮車間煙塵的有效收集和處理，通過合理的通風措施提高車間體溫，改善石墨化車間的工作環境。

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。 預計燃燒室煙氣溫度在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，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物等聚環丁二烯物質發生氧化反應，最終分解為CO2和H2O，有效凈化效率可達99%以上。 系統運行穩定，開工率高。

2.5臥式連續陰極石墨化爐

上述幾種石墨化爐是目前國外正極材料生產的主要爐型結構。 其共同點是周期性間歇生產、熱效率低、人工操作、自動化程度低。 借鑒石油焦焙燒爐和鋁土礦焙燒豎窯的爐型，可開發類似的臥式連續陰極石墨化爐。 采用內阻電弧作為低溫熱源，物料靠自身重力連續給料。 出口區采用常規風冷或汽化冷卻結構，對低溫物料進行冷卻。 爐外卸料和裝料采用粉體氣力輸送系統。 該型爐可實現連續化生產，爐體蓄熱損失可忽略不計，因此熱效率顯著提高，產值和煤耗具有顯著優勢，并可實現全手動操作。

圖5是某公司處于實驗階段的連續式粉末石墨化爐。 急需解決的主要問題是粉末的流動性、石墨化程度的均勻性、安全性、溫度檢測和冷卻等。 化學領域的一場革命。

3 結論

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、環保、自動化程度、安全性等方面還存在問題。 行業未來的趨勢是向全人工組織排放連續生產的爐體結構發展，并配備成熟可靠的輔助工藝設施。 屆時，困擾企業的石墨化問題將得到明顯改善，行業將進入穩定發展期，推動新能源相關產業快速發展。