Uusien energia-ajoneuvojen nopean kehityksen myötä maailmanlaajuisesti litium-akkuanodimateriaalien markkinakysyntä on kasvanut merkittävästi. Tilastojen mukaan alan kahdeksan suurinta litium-akkuanodiyritystä aikoo vuonna 2021 laajentaa tuotantokapasiteettiaan lähes miljoonaan tonniin. Grafitisoinnilla on suurin vaikutus anodimateriaalien indeksiin ja kustannuksiin. Kiinassa on monenlaisia grafitointilaitteita, jotka kuluttavat paljon energiaa, ovat erittäin saastuttavia ja automaatioaste on alhainen, mikä rajoittaa grafiittianodimateriaalien kehitystä jossain määrin. Se on anodimateriaalien tuotantoprosessin tärkein kiireellinen ongelma.
1. Negatiivisen grafitointiuunin nykytilanne ja vertailu
1.1 Atchisonin negatiivinen grafitointiuuni
Perinteiseen elektrodi-Aitcheson-uunin grafitointiuuniin perustuvassa muunnellussa uunissa alkuperäinen uuni täytetään grafiittiupokkaalla negatiivisen elektrodin materiaalin kantajana (upokkaaseen täytetään hiiltynyttä negatiivisen elektrodin raaka-ainetta), uunin ydin täytetään lämmönvastusmateriaalilla ja ulkokerros täytetään eristemateriaalilla ja uunin seinämän eristyksellä. Sähköistämisen jälkeen 2800–3000 ℃:n korkea lämpötila syntyy pääasiassa vastusmateriaalin kuumentamisen seurauksena, ja upokkaan negatiivista materiaalia kuumennetaan epäsuorasti negatiivisen materiaalin korkean lämpötilan kivimusteen aikaansaamiseksi.
1.2. Sisäinen lämpösarjan grafitointiuuni
Uunimalli viittaa grafiittielektrodien valmistuksessa käytettyyn sarjagrafitointiuuniin, jossa useita elektrodiupokkaita (joihin on ladattu negatiivisen elektrodin materiaalia) on kytketty sarjaan pituussuunnassa. Elektrodiupokas toimii sekä kantajana että lämmityselementtinä, ja virta kulkee elektrodiupokkaan läpi synnyttäen korkean lämpötilan ja lämmittäen suoraan negatiivisen elektrodin materiaalia. GRAPHITOINTIPROSESSISSA ei käytetä vastusmateriaalia, mikä yksinkertaistaa latauksen ja paistamisen prosessia ja vähentää vastusmateriaalin lämmönvaraushäviöitä, mikä säästää energiankulutusta.
1.3 Ruudukkotyyppinen grafitointiuuni
Sovellus nro 1 on lisääntynyt viime vuosina. Tärkein on opittu sarja-Acheson-grafitointiuunin ja ketjutetun grafitointiuunin tekniikan ominaisuudet. Uunin ytimessä käytetään useita anodilevyjä, jotka on ruudutettu laatikkomateriaalilla. Materiaali johdetaan katodiin raaka-aineena. Kaikki anodilevypylväät on kiinnitetty toisiinsa uritettujen liitosten kautta. Jokainen säiliö on tiivistetty anodilevyllä samalla materiaalilla. Materiaalilaatikkorakenteen pylväs ja anodilevy muodostavat yhdessä lämmitysrungon. Sähkö virtaa uunin pään elektrodin läpi uunin ytimen lämmitysrunkoon, ja syntyvä korkea lämpötila lämmittää suoraan laatikossa olevaa anodimateriaalia grafitoinnin tarkoituksen saavuttamiseksi.
1.4 Kolmen grafitointiuunityypin vertailu
Sisäinen lämmityssarjagrafitointiuuni lämmittää materiaalia suoraan lämmittämällä onttoa grafiittielektrodia. Elektrodiupokkaan läpi kulkevan virran tuottama "Joule-lämpö" käytetään pääasiassa materiaalin ja upokkaan lämmittämiseen. Lämmitysnopeus on nopea, lämpötilan jakautuminen on tasainen ja terminen hyötysuhde on korkeampi kuin perinteisessä Atchison-uunissa, jossa on vastusmateriaalilämmitys. Ristikkorasiagrafitointiuuni hyödyntää sisäisen lämmityksen sarjagrafitointiuunin etuja ja käyttää lämmityselementtinä edullisempaa esipaistettua anodilevyä. Sarjagrafitointiuuniin verrattuna ritikkorasiagrafitointiuunin kuormituskapasiteetti on suurempi ja tehonkulutus tuotetta kohti pienenee vastaavasti.
2. Negatiivisen grafitointiuunin kehityssuunta
2. 1 Optimoi ulkoseinän rakenne
Tällä hetkellä useiden grafitointiuunien lämmöneristyskerros on pääasiassa täytetty hiilimustalla ja maaöljykoksilla. Tämä osa eristysmateriaalista korkean lämpötilan hapetuspolton aikana vaatii tuotannon aikana korvauksen tai täydennyksen erityisellä eristysmateriaalilla. Prosessi on ympäristöystävällinen ja työvoimavaltainen.
Voidaan harkita erityisen lujan ja korkean lämpötilan sementtiseinätiilin käyttöä muurausmassan valmistuksessa, mikä parantaa kokonaislujuutta, varmistaa seinän muodonmuutoksen vakauden koko käyttöjakson aikana ja tiilien saumojen tiivistymisen samanaikaisesti. Samalla estetään liiallinen ilman pääsy tiiliseinän halkeamiin ja saumaväliin uuniin, mikä vähentää eristysmateriaalin ja anodimateriaalien hapettumispolttohäviöitä.
Toinen on asentaa uunin seinämän ulkopuolelle roikkuva irtomateriaalina oleva liikkuva eristyskerros, kuten korkean lujuuden omaava kuitulevy tai kalsiumsilikaattilevy. Lämmitysvaihe toimii tehokkaana tiivistys- ja eristysroolina, ja kylmävaihe on kätevä poistaa nopeaa jäähdytystä varten. Kolmanneksi, tuuletuskanava asetetaan uunin pohjalle ja uunin seinämään. Tuuletuskanavassa käytetään esivalmistettua ristikkotiilirakennetta, jossa on hihnan naaraspuolinen suuaukko, samalla kun se tukee korkean lämpötilan sementtiseinää ja ottaa huomioon pakotetun ilmanvaihdon jäähdytyksen kylmävaiheessa.
2.2 Optimoi virtalähdekäyrä numeerisella simulaatiolla
Tällä hetkellä negatiivisen elektrodin grafitointiuunin tehonsyöttökäyrä laaditaan kokemuksen perusteella, ja grafitointiprosessia säädetään manuaalisesti milloin tahansa lämpötilan ja uunin kunnon mukaan, eikä yhtenäistä standardia ole. Lämmityskäyrän optimointi voi selvästi vähentää virrankulutusindeksiä ja varmistaa uunin turvallisen käytön. Neulan kohdistuksen numeerinen malli tulisi laatia tieteellisillä keinoilla erilaisten reunaehtojen ja fysikaalisten parametrien mukaisesti, ja virran, jännitteen, kokonaistehon ja poikkileikkauksen lämpötilajakauman välistä suhdetta grafitointiprosessissa tulisi analysoida, jotta voidaan muodostaa sopiva lämmityskäyrä ja säätää sitä jatkuvasti todellisessa toiminnassa. Esimerkiksi voimansiirron alkuvaiheessa käytetään suuritehoista siirtoa, jonka jälkeen tehoa pienennetään nopeasti ja sitten hitaasti nostetaan, tehoa vähennetään ja sitten tehoa vähennetään, kunnes teho on loppuunsa.
2. 3 Pidennä upokkaan ja lämmitysrungon käyttöikää
Virrankulutuksen lisäksi negatiivisen grafitisoinnin kustannukset vaikuttavat suoraan upokkaan ja lämmittimen käyttöikään. Grafiittiupokkaan ja grafiittilämmitysrungon osalta grafiittimusteen kustannuksia voidaan tehokkaasti vähentää tuotannonhallintajärjestelmällä, kuten lastauksella, kohtuullisella lämmitys- ja jäähdytysnopeuden säädöllä, automaattisella upokkaan tuotantolinjalla, hapettumisen estämiseksi tehtävillä tiivisteillä ja muilla toimenpiteillä, joilla pidennetään upokkaan kierrätysaikaa. Edellä mainittujen toimenpiteiden lisäksi ritilälaatikon grafitointiuunin lämmityslevyä voidaan käyttää myös esipaistetun anodin, elektrodin tai kiinteän, korkean resistiivisyyden omaavan hiilipitoisen materiaalin lämmitysmateriaalina grafitisointikustannusten säästämiseksi.
2.4 Savukaasujen hallinta ja hukkalämmön hyödyntäminen
Grafitoinnin aikana syntyvä savukaasu on peräisin pääasiassa anodimateriaalien haihtuvista aineista ja palamistuotteista, pintahiilen palamisesta, ilmavuodoista ja niin edelleen. Uunin käynnistyksen alussa haihtuvia aineita ja pölyä pääsee ulos paljon, työpajaympäristö on huono, ja useimmilla yrityksillä ei ole tehokkaita käsittelymenetelmiä. Tämä on suurin ongelma, joka vaikuttaa negatiivisten elektrodien tuotannon käyttäjien työterveyteen ja -turvallisuuteen. Työpajassa olisi pyrittävä tehokkaammin savukaasujen ja pölyn tehokkaaseen keräämiseen ja hallintaan, ja grafitointipajan työympäristön parantamiseksi olisi toteutettava kohtuullisia ilmanvaihtotoimenpiteitä työpajan lämpötilan alentamiseksi ja työympäristön parantamiseksi.
Kun savukaasu on kerätty savuhormin kautta polttokammioon sekapolton yhteydessä, suurin osa savukaasun tervasta ja pölystä on poistettu. Savukaasun lämpötilan polttokammiossa odotetaan olevan yli 800 ℃, ja savukaasun hukkalämpö voidaan ottaa talteen hukkalämpökattilan tai vaippalämmönvaihtimen kautta. Hiiliasfaltin savun käsittelyssä käytettyä RTO-polttotekniikkaa voidaan myös käyttää referenssinä, ja asfalttisavukaasu lämmitetään 850–900 ℃:seen. Lämmön varastointipolton avulla savukaasun asfaltti ja haihtuvat komponentit ja muut polysykliset aromaattiset hiilivedyt hapetetaan ja lopulta hajoavat CO2:ksi ja H2O:ksi, ja tehokas puhdistustehokkuus voi nousta yli 99 prosenttiin. Järjestelmällä on vakaa toiminta ja korkea käyttöaste.
2. 5 Pystysuuntainen jatkuvatoiminen negatiivinen grafitointiuuni
Edellä mainitut grafitointiuunit ovat Kiinan anodimateriaalien tuotannon pääasiallisia uunirakenteita. Yhteistä niille on jaksoittainen tuotanto, alhainen lämpötehokkuus, pääasiassa manuaalinen täyttö ja alhainen automaatioaste. Samanlainen pystysuora jatkuvatoiminen negatiivinen grafitointiuuni voidaan kehittää öljykoksi-kalsinointiuunin ja bauksiittikalsinointikuiluuunin mallin avulla. Korkean lämpötilan lämmönlähteenä käytetään vastuskaavaruushöyryä (ARC), materiaali purkautuu jatkuvasti omalla painovoimallaan, ja tavanomaista vesijäähdytystä tai kaasutusjäähdytysrakennetta käytetään korkean lämpötilan materiaalin jäähdyttämiseen poistoalueella, ja jauhepneumaattista kuljetusjärjestelmää käytetään materiaalin purkamiseen ja syöttämiseen uunin ulkopuolelle. UUNITYYPPINEN UUNI mahdollistaa jatkuvan tuotannon, uunin rungon lämmönvaraushäviöt voidaan jättää huomiotta, joten lämpötehokkuus paranee merkittävästi, tuotanto- ja energiankulutusetuja on ilmeisiä ja täysin automaattinen toiminta voidaan toteuttaa täysin. Tärkeimmät ratkaistavat ongelmat ovat jauheen juoksevuus, grafitisaatioasteen tasaisuus, turvallisuus, lämpötilan valvonta ja jäähdytys jne. Uunin onnistuneen kehittämisen teollisen tuotannon skaalaamiseksi uskotaan käynnistävän vallankumouksen negatiivisten elektrodien grafitisaation alalla.
3 solmun kieli
Grafiittikemiallinen prosessi on suurin ongelma litium-akkujen anodimateriaalien valmistajilla. Perimmäinen syy tähän on se, että laajalti käytetyn jaksollisen grafitointiuunin energiankulutuksessa, kustannuksissa, ympäristönsuojelussa, automaatioasteessa, turvallisuudessa ja muissa näkökohdissa on edelleen joitakin ongelmia. Alan tulevaisuuden trendi on täysin automatisoitujen ja organisoitujen päästöjä tuottavien jatkuvatoimisten uunirakenteiden kehittäminen sekä kypsien ja luotettavien apuprosessien tukeminen. Tällöin yrityksiä vaivaavat grafitointiongelmat paranevat merkittävästi ja teollisuus siirtyy vakaan kehityksen kauteen, mikä vauhdittaa uusien energiateollisuudenalojen nopeaa kehitystä.
Julkaisun aika: 19. elokuuta 2022