전 세계적으로 신에너지 자동차의 급속한 발전에 따라 리튬 배터리 음극재 시장 수요가 크게 증가했습니다. 통계에 따르면, 2021년 업계 상위 8개 리튬 배터리 음극재 기업은 생산 능력을 약 100만 톤으로 확장할 계획입니다. 흑연화는 음극재의 가격 지수와 원가에 가장 큰 영향을 미칩니다. 중국의 흑연화 장비는 종류가 많고 에너지 소비가 높으며, 오염이 심하고 자동화 수준이 낮아 흑연 음극재 개발에 일정 부분 제약이 있습니다. 흑연화는 음극재 생산 공정에서 시급히 해결해야 할 주요 문제입니다.
1. 음극흑연로의 현황 및 비교
1.1 애치슨 음극흑연로
기존 전극 Aitcheson 퍼니스 흑연화로를 기반으로 한 변형 퍼니스 유형에서는, 기존 퍼니스에 음극재의 담체로 흑연 도가니를 사용하고(도가니에는 탄화된 음극 원료가 채워짐), 노심에는 가열 저항재를, 외층에는 단열재와 노벽 단열재를 채웁니다. 통전 후, 저항재의 가열에 의해 2800~3000℃의 고온이 발생하고, 도가니 내부의 음극재가 간접 가열되어 음극재의 고온 석출을 달성합니다.
1.2. 내부열연속흑연화로
이 퍼니스 모델은 흑연 전극 생산에 사용되는 직렬 흑연화 퍼니스를 참조하며, 음극재가 충전된 여러 개의 전극 도가니가 세로 방향으로 직렬로 연결됩니다. 전극 도가니는 캐리어이자 발열체이며, 전류는 전극 도가니를 통과하여 고온을 발생시키고 내부 음극재를 직접 가열합니다. GRAPHItization 공정은 저항 재료를 사용하지 않아 충전 및 소성 공정을 간소화하고, 저항 재료의 축열 손실을 줄여 전력 소비를 절감합니다.
1.3 그리드 박스형 흑연화로
최근 1위 응용 분야가 증가하고 있으며, 주요 내용은 시리즈 애치슨 흑연화로와 흑연화로의 연결 기술 특성입니다. 로 코어는 여러 개의 양극판 그리드 소재 박스 구조를 사용하여 원료를 음극에 주입하고, 양극판 컬럼 사이의 모든 슬롯 연결을 통해 고정합니다. 각 용기는 동일한 소재로 밀봉됩니다. 컬럼과 양극판 소재 박스 구조는 함께 가열체를 구성합니다. 전기는 노 헤드의 전극을 통해 노 코어의 가열체로 흐르고, 생성된 고온은 박스 내부의 양극재를 직접 가열하여 흑연화의 목적을 달성합니다.
1.4 3가지 흑연화로 유형의 비교
내부 가열 직렬 흑연화로는 중공 흑연 전극을 가열하여 재료를 직접 가열합니다. 전극 도가니를 통과하는 전류에 의해 생성되는 "줄 열"은 주로 재료와 도가니를 가열하는 데 사용됩니다. 가열 속도가 빠르고 온도 분포가 균일하며, 저항 가열 방식의 기존 애치슨로보다 열 효율이 높습니다. 그리드 박스 흑연화로는 내부 가열 직렬 흑연화로의 장점을 활용하고, 가열체로 비용이 저렴한 사전 소성 양극판을 채택합니다. 직렬 흑연화로와 비교하여 그리드 박스 흑연화로는 적재 용량이 더 크고 단위 제품당 소비 전력도 그에 따라 감소합니다.
2. 음극흑연로 개발 방향
2. 1 경계벽 구조 최적화
현재 여러 흑연로의 단열층은 주로 카본블랙과 석유 코크스로 채워져 있습니다. 이 단열재는 고온 산화 연소 과정에서 연소될 때마다 특수 단열재로 교체하거나 보충해야 하며, 교체 과정은 열악한 환경과 높은 노동 강도를 수반합니다.
특수 고강도 고온 시멘트 벽돌 벽 스틱 어도비를 사용하여 전반적인 강도를 높이고, 변형 시 전체 작업 사이클에서 벽의 안정성을 보장하고, 벽돌 이음새를 밀봉하는 동시에 과도한 공기가 벽돌 벽의 균열과 조인트 틈새를 통해 용광로로 들어가는 것을 방지하여 절연 재료 및 양극 재료의 산화 연소 손실을 줄이는 것이 고려될 수 있습니다.
두 번째는 고로 벽 외부에 전체 벌크 이동식 단열층을 설치하는 것입니다. 고강도 섬유판이나 규산칼슘판을 사용하면 가열 단계는 효과적인 밀봉 및 단열 역할을 하고, 냉각 단계는 급속 냉각을 위해 쉽게 제거할 수 있습니다. 셋째, 환기 채널은 고로 바닥과 고로 벽에 설치됩니다. 환기 채널은 벨트의 암형 입구를 가진 조립식 격자 벽돌 구조를 채택하여 고온 시멘트 조적을 지지하고, 저온 단계에서 강제 환기 냉각을 고려합니다.
2. 2 수치 시뮬레이션을 통한 전력 공급 곡선 최적화
현재 음극 흑연화로의 전력 공급 곡선은 경험에 따라 작성되며, 흑연화 공정은 온도 및 노 조건에 따라 언제든지 수동으로 조정되고 있으며, 통일된 기준은 없습니다. 가열 곡선을 최적화하면 전력 소비 지수를 현저히 낮추고 노의 안전한 작동을 보장할 수 있습니다. 다양한 경계 조건과 물리적 매개변수에 따라 과학적인 방법으로 바늘 정렬의 수치 모델을 수립해야 하며, 흑연화 공정에서 전류, 전압, 총 전력 및 단면 온도 분포 간의 관계를 분석하여 적절한 가열 곡선을 공식화하고 실제 작동 시 지속적으로 조정해야 합니다. 예를 들어, 전력 전송 초기에는 높은 전력을 사용하고, 그 후 전력을 빠르게 줄인 후 서서히 증가시키고, 전력을 다시 전력이 끝날 때까지 줄이는 방식으로 진행됩니다.
2. 3 도가니 및 가열체의 수명 연장
전력 소비 외에도 도가니와 히터의 수명은 음극흑연화 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 흑연 도가니와 흑연 가열체의 경우, 생산 관리 시스템(적재, 가열 및 냉각 속도의 합리적인 제어, 자동 도가니 생산 라인, 산화 방지를 위한 밀봉 강화 등)을 통해 도가니 재활용 시간을 늘리고 흑연 잉킹 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다. 이러한 조치 외에도 그리드 박스 흑연화로의 가열판은 사전 소성된 양극, 전극 또는 고저항 고정 탄소 재료의 가열 재료로 사용되어 흑연화 비용을 절감할 수 있습니다.
2.4 연도가스 제어 및 폐열 활용
흑연화 공정에서 발생하는 배기가스는 주로 양극재의 휘발성 물질과 연소 생성물, 표면 탄소 연소, 공기 누출 등으로 인해 발생합니다. 로 가동 초기에는 휘발성 물질과 분진이 대량으로 누출되고, 작업장 환경이 열악하여 대부분의 기업이 효과적인 처리 조치를 취하지 못하고 있습니다. 이는 음극재 생산 작업자의 산업 보건 및 안전에 가장 큰 영향을 미치는 문제입니다. 작업장 내 배기가스 및 분진의 효과적인 포집 및 관리를 종합적으로 고려하고, 작업장 온도를 낮추고 흑연화 작업장의 작업 환경을 개선하기 위한 합리적인 환기 조치를 취해야 합니다.
연도가스를 연도를 통해 연소실로 포집하여 혼합 연소시킨 후, 연도가스 내 타르와 분진을 대부분 제거합니다. 연소실 내 연도가스 온도는 800℃ 이상으로 예상되며, 연도가스에서 발생하는 폐열은 폐열 증기 보일러 또는 쉘 열교환기를 통해 회수할 수 있습니다. 탄소 아스팔트 연기 처리에 사용되는 RTO 소각 기술도 참고할 수 있으며, 아스팔트 연도가스는 850~900℃로 가열됩니다. 축열 연소를 통해 연도가스 내 아스팔트 및 휘발성 성분, 기타 다환 방향족 탄화수소는 산화되어 최종적으로 CO2와 H2O로 분해되며, 효과적인 정화 효율은 99% 이상에 도달할 수 있습니다. 이 시스템은 안정적인 운전과 높은 가동률을 자랑합니다.
2. 5 수직 연속 음극흑연로
위에서 언급한 여러 종류의 흑연화로는 중국 양극재 생산의 주요 노 구조이며, 공통점은 주기적 간헐적 생산, 낮은 열효율, 적재 및 적재가 주로 수동 조작에 의존하며 자동화 수준이 높지 않다는 것입니다. 석유 코크스 소성로와 보크사이트 소성로 모델을 참고하여 유사한 수직 연속 음극 흑연화로를 개발할 수 있습니다. 고온 열원으로 저항 아크(ARC)를 사용하고, 재료는 자체 중력에 의해 연속적으로 배출되며, 배출구 영역에서는 기존의 수냉 또는 기화 냉각 구조를 사용하여 고온 재료를 냉각하고, 분말 공압 이송 시스템을 사용하여 재료를 노 외부로 배출 및 공급합니다. FURNACE 유형은 연속 생산을 실현할 수 있으며, 노 본체의 축열 손실을 무시할 수 있으므로 열효율이 크게 향상되고 출력 및 에너지 소비 측면에서 장점이 명확하며 완전 자동 운전을 완벽하게 구현할 수 있습니다. 해결해야 할 주요 문제는 분말의 유동성, 흑연화 정도의 균일성, 안전성, 온도 모니터링 및 냉각 등입니다. 이 용광로가 산업적 생산 규모로 성공적으로 개발되면 음극 흑연화 분야에 혁명이 일어날 것으로 믿어집니다.
3 매듭 언어
흑연 화학 공정은 리튬 배터리 음극재 제조업체들이 직면한 가장 큰 문제입니다. 근본적인 이유는 널리 사용되는 주기적 흑연화로의 전력 소비, 비용, 환경 보호, 자동화 수준, 안전성 등 여러 측면에서 여전히 문제가 있기 때문입니다. 향후 업계의 추세는 완전 자동화되고 체계화된 배출 연속 생산로 구조 개발과 성숙되고 안정적인 보조 공정 시설 지원에 있습니다. 그렇게 되면 기업들이 겪고 있는 흑연화 문제가 크게 개선되고 업계는 안정적인 발전 단계에 진입하여 신에너지 관련 산업의 급속한 발전을 촉진할 것입니다.
게시 시간: 2022년 8월 19일