Door de snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen wereldwijd is de marktvraag naar anodematerialen voor lithiumbatterijen aanzienlijk toegenomen. Volgens statistieken zijn de acht grootste bedrijven in de lithiumbatterij-anode-industrie van plan hun productiecapaciteit in 2021 uit te breiden tot bijna één miljoen ton. Grafitisatie heeft de grootste impact op de eigenschappen en de kosten van anodematerialen. De grafitisatieapparatuur in China is zeer divers, verbruikt veel energie, veroorzaakt veel vervuiling en kent een lage mate van automatisering. Dit beperkt de ontwikkeling van grafietanodes tot op zekere hoogte. Het is dan ook een belangrijk probleem dat dringend moet worden opgelost in het productieproces van anodematerialen.
1. Huidige situatie en vergelijking van negatieve grafitisatieovens
1.1 Atchison negatieve grafitisatieoven
In de gemodificeerde oven, gebaseerd op de traditionele Aitcheson-elektrode-grafietoven, wordt de originele oven gevuld met een grafietkroes als drager van het negatieve elektrodemateriaal (de kroes is gevuld met gecarboniseerd negatief elektrodemateriaal), de ovenkern is gevuld met hittebestendig materiaal, de buitenlaag is gevuld met isolatiemateriaal en de ovenwand is geïsoleerd. Na elektrificatie wordt een hoge temperatuur van 2800-3000 °C gegenereerd, voornamelijk door de verhitting van het hittebestendige materiaal, en wordt het negatieve materiaal in de kroes indirect verhit om de hoge temperatuur van de grafietlaag te bereiken.
1.2. Grafitisatieoven met interne warmteserie
Het ovenmodel is gebaseerd op de seriële grafietoven die gebruikt wordt voor de productie van grafietelektroden. Hierbij zijn meerdere elektrodekroezen (gevuld met negatief elektrodemateriaal) in de lengterichting in serie geschakeld. De elektrodekroes fungeert zowel als drager als verwarmingselement. De stroom die door de elektrodekroes loopt, genereert een hoge temperatuur die het interne negatieve elektrodemateriaal direct verwarmt. Het grafietproces maakt geen gebruik van weerstandsmateriaal, wat de proceshandelingen voor het laden en bakken vereenvoudigt, het warmteverlies door de opslag van weerstandsmateriaal vermindert en energie bespaart.
1.3 Grafietoven van het roostertype
De toepassing van de No. 1-serie grafitisatieovens neemt de laatste jaren toe. De belangrijkste kenmerken van deze ovens zijn de grafitisatieprocessen die zijn ontwikkeld met behulp van een gecombineerde technologie. De ovenkern bestaat uit een roosterstructuur met meerdere anodeplaten. Het materiaal wordt in de kathode geplaatst en via sleufverbindingen tussen de anodeplaten in de kolom bevestigd. Elke container is afgedicht met anodeplaten van hetzelfde materiaal. De kolom en de anodeplaten vormen samen het verwarmingselement. Elektriciteit stroomt via de elektroden in de ovenkop naar het verwarmingselement van de ovenkern. De hoge temperatuur die hierdoor ontstaat, verwarmt direct het anodemateriaal in de oven, waardoor grafitisatie plaatsvindt.
1.4 Vergelijking van drie typen grafitisatieovens
De interne warmte-serie grafietoven verwarmt het materiaal direct door de holle grafietelektrode te verhitten. De "Joule-warmte" die wordt opgewekt door de stroom door de elektrode-kroes wordt voornamelijk gebruikt om het materiaal en de kroes te verwarmen. De verwarmingssnelheid is hoog, de temperatuurverdeling is uniform en het thermisch rendement is hoger dan bij de traditionele Atchison-oven met weerstandsverwarming. De roosterbox-grafietoven combineert de voordelen van de interne warmte-serie grafietoven met een goedkopere voorgebakken anodeplaat als verwarmingselement. Vergeleken met de serie grafietoven heeft de roosterbox-grafietoven een grotere laadcapaciteit en is het energieverbruik per producteenheid navenant lager.
2. Ontwikkelingsrichting van de negatieve grafitisatieoven
2.1 Optimaliseer de constructie van de buitenmuur
Momenteel bestaat de thermische isolatielaag van diverse grafietovens hoofdzakelijk uit roet en petroleumcokes. Dit isolatiemateriaal moet tijdens het oxidatieproces bij hoge temperaturen telkens worden vervangen of aangevuld met speciaal isolatiemateriaal. Deze vervanging is een arbeidsintensief en ongunstig proces.
Een mogelijke oplossing is het gebruik van speciale, zeer sterke en hittebestendige cementmetselwerkblokken, waardoor de algehele sterkte wordt verhoogd en de stabiliteit van de muur gedurende de gehele gebruikscyclus wordt gewaarborgd. Tegelijkertijd worden de voegen tussen de bakstenen afgedicht, waardoor wordt voorkomen dat er te veel lucht via de scheuren en voegen in de oven terechtkomt. Dit vermindert het oxidatieverlies van isolatiemateriaal en anodemateriaal.
Ten tweede wordt een grote, beweegbare isolatielaag aangebracht die aan de buitenkant van de ovenwand hangt, bijvoorbeeld met behulp van vezelplaten met hoge sterkte of calciumsilicaatplaten. Deze laag zorgt voor een effectieve afdichting en isolatie tijdens de verwarmingsfase en is tijdens de afkoelingsfase gemakkelijk te verwijderen voor snelle koeling. Ten derde wordt een ventilatiekanaal aangebracht in de bodem en de ovenwand van de oven. Het ventilatiekanaal is uitgevoerd als een geprefabriceerde rasterstructuur met een opening voor de ventilatieband, ondersteund door hittebestendig cementmetselwerk, en is ontworpen voor geforceerde ventilatiekoeling tijdens de afkoelingsfase.
2.2 Optimaliseer de voedingscurve door middel van numerieke simulatie
Momenteel wordt de vermogenscurve van de negatieve elektrode-grafietoven op basis van ervaring bepaald, en wordt het grafietproces handmatig aangepast aan de temperatuur en de ovenomstandigheden. Er bestaat geen uniforme standaard. Optimalisatie van de verwarmingscurve kan het energieverbruik aanzienlijk verlagen en de veilige werking van de oven garanderen. Het numerieke model van de naalduitlijning moet op wetenschappelijke wijze worden opgesteld op basis van verschillende randvoorwaarden en fysische parameters. De relatie tussen stroom, spanning, totaal vermogen en de temperatuurverdeling in de dwarsdoorsnede tijdens het grafietproces moet worden geanalyseerd, om zo de juiste verwarmingscurve te formuleren en deze continu aan te passen tijdens de daadwerkelijke werking. Bijvoorbeeld: in de beginfase van de vermogensoverdracht een hoog vermogen, vervolgens snel verlagen en daarna langzaam verhogen en weer verlagen tot het einde van het proces.
2.3 Verleng de levensduur van de smeltkroes en het verwarmingselement.
Naast het energieverbruik bepaalt ook de levensduur van de smeltkroes en de verwarmer direct de kosten van negatieve grafietvorming. Voor grafietkroezen en grafietverwarmers kan een efficiënt productiemanagementsysteem voor het laden, een redelijke regeling van de verwarmings- en koelsnelheid, een automatische smeltkroesproductielijn en een versterkte afdichting om oxidatie te voorkomen, de hergebruiksfrequentie van de smeltkroes verhogen en zo de kosten van grafietvorming effectief verlagen. Bovendien kan de verwarmingsplaat van de roosterbox-grafietoven ook worden gebruikt als verwarmingsmateriaal voor een voorgebakken anode, elektrode of vast koolstofhoudend materiaal met een hoge soortelijke weerstand, wat eveneens bijdraagt aan de grafietvormingskosten.
2.4 Rookgasbeheersing en benutting van restwarmte
De rookgassen die tijdens het grafitisatieproces ontstaan, zijn voornamelijk afkomstig van vluchtige stoffen en verbrandingsproducten van anodematerialen, verbranding van oppervlaktekoolstof, luchtlekkage, enzovoort. Bij het opstarten van de oven ontsnappen grote hoeveelheden vluchtige stoffen en stof, waardoor de werkomstandigheden slecht zijn. De meeste bedrijven beschikken niet over effectieve maatregelen om dit te behandelen, wat het grootste probleem vormt voor de gezondheid en veiligheid van de werknemers in de productie van negatieve elektroden. Er moet meer aandacht worden besteed aan een alomvattende aanpak voor de effectieve opvang en beheersing van rookgassen en stof in de werkplaats. Daarnaast moeten er redelijke ventilatiemaatregelen worden genomen om de temperatuur in de werkplaats te verlagen en de werkomgeving te verbeteren.
Nadat de rookgassen via het rookkanaal in de verbrandingskamer zijn geleid voor gemengde verbranding, en het grootste deel van de teer en het stof in de rookgassen is verwijderd, wordt verwacht dat de temperatuur van de rookgassen in de verbrandingskamer boven de 800 °C ligt. De restwarmte van de rookgassen kan vervolgens worden teruggewonnen via een restwarmteketel of een warmtewisselaar. De RTO-verbrandingstechnologie die wordt gebruikt bij de behandeling van rookgassen van asfalt kan ook als referentie dienen. Hierbij worden de asfaltrookgassen verwarmd tot 850-900 °C. Door middel van warmteopslagverbranding worden het asfalt, de vluchtige componenten en andere polycyclische aromatische koolwaterstoffen in de rookgassen geoxideerd en uiteindelijk afgebroken tot CO2 en H2O. De effectieve zuiveringsefficiëntie kan meer dan 99% bedragen. Het systeem heeft een stabiele werking en een hoge bedrijfscapaciteit.
2.5 Verticale continue negatieve grafitisatieoven
De hierboven genoemde verschillende soorten grafitisatieovens vormen de belangrijkste ovenstructuur voor de productie van anodemateriaal in China. De gemeenschappelijke kenmerken zijn periodieke, onderbroken productie, een laag thermisch rendement, en het laden dat voornamelijk handmatig gebeurt. De mate van automatisering is dus niet hoog. Een vergelijkbare verticale, continue negatieve grafitisatieoven kan worden ontwikkeld door te kijken naar het model van de petroleumcokescalcinatieoven en de bauxietcalcinatieschachtoven. De weerstandsboog wordt gebruikt als warmtebron voor de hoge temperatuur, het materiaal wordt continu afgevoerd door zijn eigen zwaartekracht, en een conventioneel waterkoelings- of vergassingskoelingssysteem wordt gebruikt om het hete materiaal in het uitlaatgebied af te koelen. Een pneumatisch poedertransportsysteem wordt gebruikt om het materiaal buiten de oven af te voeren en aan te voeren. Dit type oven maakt continue productie mogelijk, het warmteverlies van de ovenwand kan worden verwaarloosd, waardoor het thermisch rendement aanzienlijk wordt verbeterd, de voordelen op het gebied van output en energieverbruik duidelijk zijn en volledig geautomatiseerde werking volledig kan worden gerealiseerd. De belangrijkste problemen die moeten worden opgelost, zijn de vloeibaarheid van het poeder, de uniformiteit van de grafitisatiegraad, de veiligheid, de temperatuurbewaking en -koeling, enzovoort. Men is van mening dat de succesvolle ontwikkeling van de oven voor grootschalige industriële productie een revolutie teweeg zal brengen op het gebied van negatieve elektrode-grafitisatie.
3 de knooptaal
Het chemische proces voor de productie van grafiet is het grootste probleem voor fabrikanten van anodematerialen voor lithiumbatterijen. De fundamentele reden hiervoor is dat er nog steeds problemen zijn met het energieverbruik, de kosten, de milieuvriendelijkheid, de mate van automatisering, de veiligheid en andere aspecten van de veelgebruikte periodieke grafietoven. De toekomstige trend in de industrie is de ontwikkeling van volledig geautomatiseerde en georganiseerde, emissievrije, continue productieovens, ondersteund door volwaardige en betrouwbare hulpprocessen. Op dat moment zullen de problemen met de grafietproductie aanzienlijk verbeteren en zal de industrie een periode van stabiele ontwikkeling ingaan, wat de snelle ontwikkeling van de nieuwe energiegerelateerde industrieën zal stimuleren.
Geplaatst op: 19 augustus 2022