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は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100万トン近くまで拡大する計画です。負極材の指標とコストに最も大きな影響を与えるのは黒鉛化です。中国の黒鉛化装置は種類が多く、エネルギー消費量が多く、汚染がひどく、自動化の度合いが低いため、黒鉛負極材の開発をある程度制限しています。これは、負極材の製造工程において早急に解決すべき主要な問題です。
1. 負の黒鉛化炉の現状と比較
1.1 アチソン式負黒鉛化炉
従来の電極式アイチェソン炉黒鉛化炉を改良した炉型では、元の炉に負極材料の担体として黒鉛るつぼ（るつぼには炭化負極原料が充填されている）を装填し、炉心には加熱抵抗材料を充填し、外層には断熱材と炉壁断熱材を充填する。通電後、主に抵抗材料の加熱により2800～3000℃の高温が発生し、るつぼ内の負極材料が間接的に加熱されて、負極材料の高温石インク化が実現される。
1.2. 内部加熱式黒鉛化炉
この炉モデルは、黒鉛電極の製造に使用される直列型黒鉛化炉を参考に設計されており、複数の電極るつぼ（負極材料を装填）が縦方向に直列に接続されています。電極るつぼは担体と加熱体の両方の役割を果たし、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します。黒鉛化プロセスでは抵抗材料を使用しないため、装填と焼成の工程が簡素化され、抵抗材料の蓄熱損失が低減され、消費電力が削減されます。
1.3 グリッドボックス型黒鉛化炉
近年、No.1アプリケーションが増加しており、主な特徴は、アチェソン黒鉛化炉シリーズと連結技術による黒鉛化炉の特性です。炉心は複数の陽極板グリッド材料ボックス構造を使用し、材料は陰極に投入され、すべてのスロット接続を介して陽極板柱が固定されます。各容器は、同じ材料で陽極板シールを使用します。柱と陽極板材料ボックス構造が一体となって加熱体を構成します。電流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料を直接加熱して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
内部加熱式黒鉛化炉は、中空黒鉛電極を加熱することで材料を直接加熱します。電極るつぼを流れる電流によって発生する「ジュール熱」が、主に材料とるつぼの加熱に利用されます。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。グリッドボックス式黒鉛化炉は、内部加熱式黒鉛化炉の利点を活かし、低コストの予備焼成陽極板を加熱体として採用しています。グリッドボックス式黒鉛化炉は、直列式黒鉛化炉と比較して積載容量が大きく、単位製品あたりの消費電力がそれに応じて削減されます。
2. 負の黒鉛化炉の開発方向
2.1 外周壁構造の最適化
現在、多くの黒鉛化炉の断熱層は主にカーボンブラックと石油コークスで満たされている。この断熱材は製造過程で高温酸化燃焼するため、炉から取り出すたびに専用の断熱材を交換または補充する必要があり、交換作業は劣悪な環境と高い労働強度を伴う。
検討できるのは、特殊な高強度・高温セメント組積造壁接着剤アドベを使用することで、全体の強度を高め、全運転サイクルにおける壁の変形安定性を確保し、同時にレンガの継ぎ目を密閉し、過剰な空気がレンガ壁のひび割れや継ぎ目から炉内に入るのを防ぎ、断熱材や陽極材の酸化燃焼損失を低減することです。
2つ目は、高強度繊維板やケイ酸カルシウム板など、炉壁の外側に吊り下げる可動式断熱層全体を設置することです。加熱段階では効果的な密閉と断熱の役割を果たしますが、冷却段階では取り外しが容易で、急速冷却が可能です。3つ目は、炉底と炉壁に換気路を設けることです。換気路は、ベルトの雌口を備えたプレハブ格子レンガ構造を採用し、高温セメント組積造を支えながら、冷却段階での強制換気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、温度や炉の状態に応じて黒鉛化プロセスはいつでも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、消費電力指数を大幅に削減し、炉の安全な運転を確保できます。針アライメントの数値モデルは、さまざまな境界条件と物理パラメータに基づいて科学的な方法で構築し、黒鉛化プロセスにおける電流、電圧、総電力、断面の温度分布の関係を分析して、適切な加熱曲線を策定し、実際の運転で継続的に調整する必要があります。例えば、電力伝送の初期段階では高電力伝送を使用し、その後電力を急速に下げ、その後ゆっくりと電力を上げ、電力を下げて電力の終わりまで続けます。
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、るつぼとヒーターの寿命も、負の黒鉛化コストを直接左右します。黒鉛るつぼと黒鉛加熱体については、出荷生産管理システム、加熱・冷却速度の適切な制御、自動るつぼ生産ライン、酸化防止のためのシール強化などの対策により、るつぼの再利用回数を増やし、黒鉛インキングの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、予備焼成陽極、電極、または高抵抗率の固定炭素材料の加熱材料として使用することで、黒鉛化コストを削減することもできます。
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性物質や燃焼生成物、表面炭素の燃焼、空気漏れなどから生じます。炉の起動初期には、揮発性物質や粉塵が大量に放出され、作業場の環境が悪化します。多くの企業では効果的な処理対策が講じられておらず、これが負極製造における作業員の労働安全衛生に及ぼす最大の問題となっています。作業場における排ガスと粉塵の効果的な収集・管理を総合的に検討し、適切な換気対策を講じて作業場の温度を下げ、黒鉛化作業場の作業環境を改善する必要があります。
排ガスは煙道を通して燃焼室に集められ、混合燃焼によって排ガス中のタールや粉塵の大部分が除去されます。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型熱交換器を通して回収できます。炭素アスファルト排煙処理に用いられるRTO焼却技術も参考として利用でき、アスファルト排ガスを850～900℃に加熱します。蓄熱燃焼によって、排ガス中のアスファルトや揮発性成分、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%以上に達します。このシステムは安定した運転と高い稼働率を実現します。
2.5 垂直連続負黒鉛化炉
上述の数種類の黒鉛化炉は、中国における陽極材生産の主要な炉構造であり、共通点は周期的な断続生産、低い熱効率、主に手動操作による搬出、自動化の度合いが低いことである。同様の垂直連続負黒鉛化炉は、石油コークス焼成炉やボーキサイト焼成シャフト炉のモデルを参考に開発することができる。高温熱源として抵抗アークISを使用し、材料は自重で連続的に排出され、出口領域の高温材料の冷却には従来の水冷またはガス化冷却構造が使用され、炉外への材料の排出と供給には粉体空気輸送システムが使用される。この炉型は連続生産が可能であり、炉体の蓄熱損失は無視できるため、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顕著であり、完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ある。炉の開発が成功し、工業生産規模に拡大すれば、負極黒鉛化の分野に革命が起こると期待される。
3. 結び目の言語
グラファイト化学プロセスは、リチウムイオン電池負極材メーカーを悩ませる最大の課題です。その根本的な理由は、広く用いられている周期式黒鉛化炉において、消費電力、コスト、環境保護、自動化度、安全性などの面で依然として問題が残っているためです。業界の今後の動向は、完全自動化された組織的な連続生産炉構造の開発と、それを支える成熟した信頼性の高い補助プロセス設備の開発へと向かっています。そうなれば、企業を悩ませている黒鉛化の問題は大幅に改善され、業界は安定的な発展期に入り、新エネルギー関連産業の急速な発展を促進するでしょう。
投稿日時：2022年8月19日