世界的な新エネルギー車の急速な発展に伴い、リチウム電池負極材の市場需要が大幅に増加しています。統計によると、2021年には業界トップ8のリチウム電池負極材企業が生産能力を100万トン近くに拡大する計画です。負極材の指数とコストに最も大きな影響を与えるのは黒鉛化です。中国の黒鉛化設備は種類が多く、エネルギー消費量が多く、汚染がひどく、自動化度が低いため、黒鉛負極材の開発には一定の制限があります。これは、負極材の生産プロセスにおいて緊急に解決すべき主要な課題です。
1. 負黒鉛化炉の現状と比較
1.1 アチソン負圧黒鉛化炉
従来の電極式アイチソン炉黒鉛化炉をベースとした改良型炉では、元の炉に負極材料のキャリアとして黒鉛るつぼを装填し（るつぼには炭化した負極原料を装填）、炉心には加熱抵抗材を充填し、外層には断熱材と炉壁断熱材を充填する。通電後、主に抵抗材の加熱によって2800～3000℃の高温が発生し、るつぼ内の負極材を間接的に加熱することで、負極材の高温石墨化を実現する。
1.2. 内熱式黒鉛化炉
この炉モデルは、黒鉛電極の製造に用いられる直列黒鉛化炉をモデル化したものであって、複数の電極るつぼ（負極材料を充填したもの）が縦方向に直列に接続されている。電極るつぼはキャリアと加熱体を兼ねており、電流が電極るつぼを通過することで高温が発生し、内部の負極材料を直接加熱する。黒鉛化プロセスでは抵抗材を使用しないため、充填と焼成の工程操作が簡素化され、抵抗材の蓄熱損失が低減され、消費電力が節約される。
1.3 グリッドボックス型黒鉛化炉
近年増加しているNo.1の応用分野は、アチェソンシリーズの黒鉛化炉と連結された技術の特徴を持つ黒鉛化炉です。炉心は複数の陽極板グリッド材ボックス構造を採用し、原料を陰極に投入します。陽極板間のすべてのスロット接続部は、各容器に同じ材質の陽極板シールを使用しています。材料ボックス構造の柱と陽極板は一体となって加熱体を構成します。電気は炉頭の電極を通って炉心の加熱体に流れ込み、発生した高温がボックス内の陽極材を直接加熱することで黒鉛化の目的を達成します。
1.4 3種類の黒鉛化炉の比較
内熱式直列黒鉛化炉は、中空黒鉛電極を加熱することで材料を直接加熱します。電極るつぼに流れる電流によって発生する「ジュール熱」を主に材料とるつぼの加熱に利用します。加熱速度が速く、温度分布が均一で、従来の抵抗加熱式アッチソン炉よりも熱効率が高くなります。グリッドボックス型黒鉛化炉は、内熱式直列黒鉛化炉の利点を活かし、加熱体として低コストの焼成済み陽極板を採用しています。直列黒鉛化炉と比較して、グリッドボックス型黒鉛化炉の積載容量は大きく、製品単位あたりの消費電力も低減されます。
2. 負性黒鉛化炉の開発方向
2. 1 外壁構造の最適化
現在、多くの黒鉛化炉の断熱層には、主にカーボンブラックと石油コークスが充填されています。この断熱材は生産時に高温酸化燃焼するため、投入のたびに専用の断熱材を交換または補充する必要があり、交換作業は環境負荷が高く、労働強度も高くなります。
考えられる方法としては、特殊な高強度、高温セメントの石積み壁用アドベを使用することで、全体の強度を高め、壁の全動作サイクルにおける変形の安定性を確保し、同時にレンガの継ぎ目の密閉性を高め、レンガ壁の亀裂や継ぎ目の隙間から過剰な空気が炉内に入るのを防ぎ、絶縁材や陽極材の酸化燃焼損失を減らすことができます。
二つ目は、炉壁の外側に吊り下げる全面可動断熱層を設置することです。高強度ファイバーボードやケイ酸カルシウム板などを使用し、加熱段は効果的な密閉・断熱効果を発揮し、冷却段は取り外して急速冷却に便利です。三つ目は、炉底と炉壁に通気路を設けることです。通気路は、ベルト状の雌口を備えたプレハブ格子レンガ構造を採用し、高温セメントブロックを支え、冷却段における強制通風冷却を考慮しています。
2. 2 数値シミュレーションによる電源曲線の最適化
現在、負極黒鉛化炉の電力供給曲線は経験に基づいて作成されており、黒鉛化プロセスは温度と炉の状態に応じて随時手動で調整されており、統一された基準はありません。加熱曲線を最適化することで、電力消費指数を明らかに低減し、炉の安全な運転を確保できます。様々な境界条件と物理的パラメータに基づいて、科学的な手段で針配列の数値モデルを確立し、黒鉛化プロセスにおける電流、電圧、総電力と断面の温度分布の関係を分析し、適切な加熱曲線を策定し、実際の運転中に継続的に調整する必要があります。例えば、送電初期には高電力送電を使用し、その後急速に電力を下げてからゆっくりと上昇させ、電力供給の終了まで電力を下げます。
2. 3 るつぼと加熱体の耐用年数を延ばす
消費電力に加え、坩堝とヒーターの寿命も負黒鉛化コストを直接左右します。黒鉛坩堝と黒鉛加熱体については、生産管理システムの投入、加熱・冷却速度の合理的な制御、坩堝生産ラインの自動化、酸化防止のためのシール強化などの対策を講じることで、坩堝のリサイクル回数を増やすことで、黒鉛化コストを効果的に削減できます。上記の対策に加え、グリッドボックス黒鉛化炉の加熱板を、焼成済みの陽極、電極、または高抵抗の固定炭素質材料の加熱材として使用することで、黒鉛化コストを節約できます。
2.4 排ガス制御と廃熱利用
黒鉛化工程で発生する排ガスは、主に陽極材料の揮発分や燃焼生成物、表面炭素の燃焼、空気漏れなどから発生します。炉の起動初期には、揮発分や粉塵が大量に排出され、作業場の環境は劣悪です。多くの企業は有効な対策を講じていません。これは、負極生産における作業者の労働安全衛生に影響を与える最大の問題です。作業場における排ガスと粉塵の効果的な収集と管理について、より一層の総合的な検討を行う必要があります。また、合理的な換気対策を講じることで、作業場の温度を下げ、黒鉛化工程の作業環境を改善する必要があります。
排ガスは煙道を通って燃焼室に集められ、混焼され、排ガス中のタールとダストの大部分が除去され、燃焼室内の排ガス温度は800℃以上になると予想され、排ガスの廃熱は廃熱蒸気ボイラーまたはシェル熱交換器を通して回収できる。炭素アスファルト煙処理に用いられるRTO焼却技術も参考となり、アスファルト排ガスは850～900℃に加熱される。蓄熱燃焼により、排ガス中のアスファルトおよび揮発性成分およびその他の多環芳香族炭化水素が酸化され、最終的にCO2とH2Oに分解され、有効浄化効率は99％以上に達する。このシステムは安定した運転と高い稼働率を備えている。
2. 5 垂直連続負圧黒鉛化炉
上述の数種類の黒鉛化炉は、中国における陽極材料生産の主な炉構造であり、共通点は周期的断続生産、熱効率の低さ、搬出入は主に手作業に頼る、自動化度は高くないことである。石油コークス焼成炉やボーキサイト焼成シャフト炉をモデルに、同様の垂直連続負極黒鉛化炉を開発することができる。抵抗アークを高温熱源とし、原料は自身の重力によって連続的に排出され、従来の水冷またはガス化冷却構造を用いて出口領域で高温原料を冷却し、粉体空気輸送システムを用いて原料を炉外に排出・供給する。炉型は連続生産を実現でき、炉体の蓄熱損失を無視できるため、熱効率が大幅に向上し、出力とエネルギー消費のメリットが明らかで、全自動運転を完全に実現できる。解決すべき主な課題は、粉末の流動性、黒鉛化度の均一性、安全性、温度監視と冷却などです。この炉の開発が工業生産規模に成功すれば、負極黒鉛化分野に革命を起こすと期待されています。
3 結び目の言語
黒鉛化プロセスは、リチウム電池負極材メーカーにとって最大の課題です。その根本的な原因は、広く普及している定期的な黒鉛化炉が、消費電力、コスト、環境保護、自動化度、安全性などにおいて依然としていくつかの問題を抱えていることです。業界の今後の方向性は、完全自動化・組織化された排出連続生産炉構造の開発と、成熟した信頼性の高い補助プロセス設備の整備です。そうすれば、企業を悩ませている黒鉛化の問題は大幅に改善され、業界は安定した発展期に入り、新エネルギー関連産業の急速な発展を後押しするでしょう。
投稿日時: 2022年8月19日