Mit der rasanten Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnologie weltweit ist die Marktnachfrage nach Anodenmaterialien für Lithiumbatterien deutlich gestiegen. Laut Statistik planen die acht führenden Hersteller von Lithiumbatterieanoden der Branche im Jahr 2021, ihre Produktionskapazität auf fast eine Million Tonnen zu erweitern. Die Graphitisierung hat den größten Einfluss auf den Index und die Kosten von Anodenmaterialien. Die Graphitisierungsanlagen in China sind vielfältig, verbrauchen viel Energie, verursachen starke Umweltverschmutzung und sind wenig automatisiert, was die Entwicklung von Graphitanodenmaterialien in gewissem Maße einschränkt. Dies ist das Hauptproblem, das im Produktionsprozess von Anodenmaterialien dringend gelöst werden muss.
1. Aktuelle Situation und Vergleich des Negativgraphitierungsofens
1.1 Atchison-Negativgraphitierungsofen
Bei dem modifizierten Ofentyp, der auf dem traditionellen Aitcheson-Graphitisierungsofen mit Elektrode basiert, wird der ursprüngliche Ofen mit einem Graphittiegel als Träger für das negative Elektrodenmaterial befüllt (der Tiegel enthält karbonisiertes negatives Elektrodenmaterial), der Ofenkern mit Heizwiderstandsmaterial, die Außenschicht mit Isoliermaterial und die Ofenwandisolierung gefüllt. Nach der Elektrifizierung wird hauptsächlich durch die Erwärmung des Widerstandsmaterials eine hohe Temperatur von 2800 bis 3000 °C erzeugt. Das negative Material im Tiegel wird indirekt erhitzt, um die Hochtemperatur-Steinfärbung des negativen Materials zu erreichen.
1.2. Graphitisierungsofen mit interner Wärmereihe
Das Ofenmodell ist eine Referenz an den seriellen Graphitisierungsofen zur Herstellung von Graphitelektroden. Mehrere Elektrodentiegel (befüllt mit negativem Elektrodenmaterial) sind längs in Reihe geschaltet. Der Elektrodentiegel dient gleichzeitig als Träger und Heizkörper. Der Strom fließt durch den Elektrodentiegel, um hohe Temperaturen zu erzeugen und das negative Elektrodenmaterial direkt zu erhitzen. Der Graphitisierungsprozess benötigt kein Widerstandsmaterial, was den Prozess des Befüllens und Brennens vereinfacht und den Wärmeverlust des Widerstandsmaterials reduziert, was wiederum den Stromverbrauch senkt.
1.3 Graphitisierungsofen vom Gitterkastentyp
Die Anwendung Nr. 1 hat in den letzten Jahren zugenommen. Die wichtigsten Merkmale des Acheson Graphitisierungsofens und der verketteten Technologie sind die erlernten Merkmale des Graphitisierungsofens. Der Ofenkern besteht aus einer mehrteiligen Gitterstruktur aus Anodenplattenmaterial, die im Rohmaterial in die Kathode eindringt. Die Schlitzverbindung zwischen den Anodenplattensäulen und jedem Behälter besteht aus einer Anodenplattendichtung aus dem gleichen Material. Die Säule und die Anodenplatte der Materialkastenstruktur bilden zusammen den Heizkörper. Der Strom fließt durch die Elektrode des Ofenkopfes in den Heizkörper des Ofenkerns, und die erzeugte hohe Temperatur erhitzt das Anodenmaterial im Kasten direkt, um die Graphitisierung zu erreichen.
1.4 Vergleich dreier Graphitisierungsofentypen
Der Graphitisierungsofen mit interner Wärmereihe dient der direkten Erwärmung des Materials durch Erhitzen der hohlen Graphitelektrode. Die durch den Stromfluss durch den Elektrodentiegel erzeugte Joule-Wärme wird hauptsächlich zum Erhitzen des Materials und des Tiegels genutzt. Die Heizgeschwindigkeit ist hoch, die Temperaturverteilung gleichmäßig und der thermische Wirkungsgrad höher als beim herkömmlichen Atchison-Ofen mit Widerstandsheizung. Der Gitterbox-Graphitisierungsofen nutzt die Vorteile eines Graphitisierungsofens mit interner Wärmereihe und verwendet die kostengünstigere vorgebrannte Anodenplatte als Heizkörper. Im Vergleich zum seriellen Graphitisierungsofen ist die Ladekapazität des Gitterbox-Graphitisierungsofens größer, was den Stromverbrauch pro Produkteinheit entsprechend reduziert.
2. Entwicklungsrichtung des Negativgraphitierungsofens
2. 1 Optimieren Sie die Außenwandstruktur
Derzeit wird die Wärmedämmschicht mehrerer Graphitisierungsöfen hauptsächlich mit Ruß und Petrolkoks gefüllt. Dieser Teil des Isoliermaterials wird bei der Herstellung einer Hochtemperaturoxidation verbrannt, sodass bei jeder Beladung ein spezielles Isoliermaterial ausgetauscht oder ergänzt werden muss. Der Austausch ist ein umweltschädlicher und arbeitsintensiver Prozess.
Eine Möglichkeit besteht darin, spezielle hochfeste und temperaturbeständige Zement-Mauerwerkslehme zu verwenden, um die Gesamtfestigkeit zu erhöhen, die Verformungsstabilität der Wand während des gesamten Betriebszyklus zu gewährleisten und gleichzeitig die Ziegelfugen abzudichten. Dadurch wird verhindert, dass zu viel Luft durch die Risse und Fugen der Ziegelwand in den Ofen gelangt und der Verlust von Isoliermaterial und Anodenmaterial durch Oxidation und Verbrennung verringert wird.
Zweitens wird eine mobile Dämmschicht außen an der Ofenwand angebracht, beispielsweise aus hochfesten Faserplatten oder Kalziumsilikatplatten. Die Heizphase dient der Abdichtung und Isolierung, die Kaltphase lässt sich zur schnellen Abkühlung bequem entfernen. Drittens wird ein Belüftungskanal im Ofenboden und in der Ofenwand angebracht. Der Belüftungskanal besteht aus einer vorgefertigten Gitterziegelstruktur mit einer Innenöffnung des Bandes, stützt das Hochtemperatur-Zementmauerwerk und berücksichtigt die Zwangsbelüftung in der Kaltphase.
2. 2 Optimieren Sie die Stromversorgungskurve durch numerische Simulation
Die Leistungskurve des Negativelektroden-Graphitierungsofens wird derzeit erfahrungsgemäß erstellt. Der Graphitisierungsprozess wird jederzeit manuell an Temperatur und Ofenbedingungen angepasst. Es gibt keinen einheitlichen Standard. Eine Optimierung der Heizkurve kann den Stromverbrauch deutlich senken und den sicheren Betrieb des Ofens gewährleisten. Das numerische Modell der Nadelausrichtung sollte wissenschaftlich anhand verschiedener Randbedingungen und physikalischer Parameter erstellt werden. Die Beziehung zwischen Stromstärke, Spannung, Gesamtleistung und der Temperaturverteilung im Querschnitt während des Graphitisierungsprozesses sollte analysiert werden, um die passende Heizkurve zu erstellen und diese im laufenden Betrieb kontinuierlich anzupassen. Beispielsweise wird in der Anfangsphase der Leistungsübertragung eine hohe Leistung übertragen, dann die Leistung schnell reduziert und dann langsam erhöht, die Leistung wieder reduziert und schließlich bis zum Ende der Leistungsübertragung reduziert.
2. 3 Verlängern Sie die Lebensdauer von Tiegel und Heizkörper
Neben dem Stromverbrauch bestimmt auch die Lebensdauer von Tiegel und Heizelement direkt die Kosten der Negativgraphitierung. Für Graphittiegel und Graphitheizkörper sorgen ein Produktionsmanagementsystem für die Beladung, eine angemessene Steuerung der Heiz- und Kühlrate, eine automatische Tiegelproduktionslinie, eine verstärkte Versiegelung zur Vermeidung von Oxidation und weitere Maßnahmen zur Verkürzung der Tiegel-Recyclingzeiten für eine effektive Kostensenkung der Graphitfärbung. Zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen kann die Heizplatte des Gitterbox-Graphitierungsofens auch als Heizmaterial für vorgebrannte Anoden, Elektroden oder fixiertes kohlenstoffhaltiges Material mit hohem Widerstand verwendet werden, um die Graphitisierungskosten zu senken.
2.4 Rauchgasregelung und Abwärmenutzung
Die bei der Graphitisierung entstehenden Rauchgase stammen hauptsächlich aus flüchtigen Bestandteilen und Verbrennungsprodukten des Anodenmaterials, der Kohlenstoffverbrennung an der Oberfläche, Luftleckagen usw. Zu Beginn des Ofenanlaufs entweichen große Mengen flüchtiger Bestandteile und Staub. Die Werkstattbedingungen sind schlecht, und die meisten Unternehmen verfügen nicht über wirksame Behandlungsmaßnahmen. Dies stellt das größte Problem für die Gesundheit und Sicherheit der Mitarbeiter in der Negativelektrodenproduktion dar. Es sollten verstärkt Anstrengungen unternommen werden, um die effektive Erfassung und Behandlung von Rauchgasen und Staub in der Werkstatt umfassend zu berücksichtigen. Außerdem sollten angemessene Belüftungsmaßnahmen ergriffen werden, um die Werkstatttemperatur zu senken und das Arbeitsumfeld in der Graphitisierungswerkstatt zu verbessern.
Nachdem das Rauchgas durch den Abzug in die Mischverbrennungsanlage der Brennkammer geleitet und der Großteil von Teer und Staub entfernt wurde, wird die Temperatur des Rauchgases in der Brennkammer voraussichtlich über 800 °C liegen. Die Abwärme des Rauchgases kann über den Abwärmedampfkessel oder den Mantelwärmetauscher zurückgewonnen werden. Die bei der Kohlenstoffasphalt-Rauchbehandlung verwendete RTO-Verbrennungstechnologie kann ebenfalls als Referenz dienen. Das Asphaltrauchgas wird dabei auf 850 bis 900 °C erhitzt. Durch die Wärmespeicherverbrennung werden Asphalt, flüchtige Bestandteile und andere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe im Rauchgas oxidiert und schließlich in CO₂ und H₂O zersetzt. Die effektive Reinigungsleistung kann über 99 % erreichen. Das System arbeitet stabil und mit hoher Auslastung.
2. 5 Vertikaler kontinuierlicher Negativgraphitierungsofen
Die oben erwähnten verschiedenen Arten von Graphitisierungsöfen sind die wichtigsten Ofenstrukturen bei der Anodenmaterialproduktion in China. Sie haben alle gemeinsam, dass sie periodisch intermittierende Produktion und einen niedrigen thermischen Wirkungsgrad aufweisen, das Beladen größtenteils von Hand erfolgt und der Automatisierungsgrad nicht hoch ist. Ein ähnlicher vertikaler kontinuierlicher Negativgraphitofen kann nach dem Vorbild von Petrolkoks-Kalzinierungsöfen und Bauxit-Kalzinierungsschachtöfen entwickelt werden. Der Widerstandslichtbogen wird als Hochtemperaturwärmequelle verwendet und das Material wird kontinuierlich durch seine eigene Schwerkraft entladen. Die herkömmliche Wasserkühlung oder Vergasungskühlung wird zum Kühlen des Hochtemperaturmaterials im Auslassbereich verwendet und das pneumatische Pulverfördersystem wird zum Entladen und Befördern des Materials aus dem Ofen verwendet. Der Ofentyp ermöglicht eine kontinuierliche Produktion und der Wärmespeicherverlust des Ofenkörpers kann vernachlässigt werden, sodass der thermische Wirkungsgrad deutlich verbessert wird und die Vorteile bei Leistung und Energieverbrauch offensichtlich sind. Außerdem kann ein vollautomatischer Betrieb vollständig realisiert werden. Die wichtigsten zu lösenden Probleme sind die Fließfähigkeit des Pulvers, die Gleichmäßigkeit des Graphitisierungsgrades, Sicherheit, Temperaturüberwachung und Kühlung usw. Man geht davon aus, dass die erfolgreiche Entwicklung des Ofens für die industrielle Produktion eine Revolution auf dem Gebiet der Graphitisierung negativer Elektroden auslösen wird.
3 die Knotensprache
Der Graphitchemieprozess stellt das größte Problem für Hersteller von Anodenmaterialien für Lithiumbatterien dar. Der Hauptgrund dafür sind die immer noch bestehenden Probleme mit Stromverbrauch, Kosten, Umweltschutz, Automatisierungsgrad und Sicherheit der weit verbreiteten periodischen Graphitisierungsöfen. Der zukünftige Trend der Branche geht in Richtung vollautomatischer und organisierter Ofenstrukturen für die kontinuierliche Emissionsproduktion und der Unterstützung ausgereifter und zuverlässiger Nebenprozessanlagen. Dadurch werden die Graphitisierungsprobleme der Unternehmen deutlich verbessert, und die Branche wird in eine stabile Entwicklungsphase eintreten, die die rasante Entwicklung neuer energiebezogener Industrien fördert.
Veröffentlichungszeit: 19. August 2022