전 세계적으로 신에너지 자동차가 빠르게 발전함에 따라 리튬 배터리 양극재에 대한 시장 수요가 크게 증가했습니다. 통계에 따르면 2021년 리튬 배터리 양극재 업계 상위 8개 기업은 생산 능력을 거의 100만 톤까지 확대할 계획입니다. 흑연화 공정은 양극재의 특성과 비용에 가장 큰 영향을 미칩니다. 중국의 흑연화 설비는 종류가 다양하지만 에너지 소비가 높고 오염을 유발하며 자동화 수준이 낮아 흑연 양극재 개발을 어느 정도 저해하고 있습니다. 이는 양극재 생산 공정에서 시급히 해결해야 할 주요 과제입니다.
1. 음극 흑연화로의 현황 및 비교
1.1 애치슨 네거티브 흑연화로
기존 전극 에이치슨로 흑연화로를 기반으로 한 개량형 용광로에서는, 원래 용광로에 음극 재료의 담체로 흑연 도가니(도가니에는 탄화된 음극 원료가 적재됨)를 넣고, 용광로 내부에는 발열 저항재를 채우고, 외부에는 절연재를 채우고 용광로 벽을 절연 처리한다. 전기를 가하면 주로 발열 저항재의 가열로 2800~3000℃의 고온이 발생하고, 도가니 안의 음극 재료가 간접적으로 가열되어 고온에서 음극 재료를 석화시킨다.
1.2. 내부 가열 직렬 흑연화로
이 용광로 모델은 흑연 전극 생산에 사용되는 직렬 흑연화로를 참조한 것으로, 여러 개의 전극 도가니(음극 재료가 담긴)가 세로 방향으로 직렬 연결되어 있습니다. 전극 도가니는 지지체이자 발열체 역할을 하며, 전류가 전극 도가니를 통과하여 고온을 발생시키고 내부의 음극 재료를 직접 가열합니다. 흑연화 공정은 저항 재료를 사용하지 않으므로 재료 투입 및 소성 공정이 간소화되고, 저항 재료의 열 저장 손실이 줄어들어 전력 소비를 절감할 수 있습니다.
1.3 격자형 박스형 흑연화로
최근 몇 년 동안 가장 많이 사용되는 흑연화로의 응용 분야가 증가하고 있으며, 주요 특징은 학습형 시리즈 아체손 흑연화로와 연결 기술의 특징입니다. 이 흑연화로는 여러 개의 양극판 격자형 재료 상자 구조를 사용하며, 원료를 음극에 투입하면 모든 슬롯 연결을 통해 양극판 기둥이 고정됩니다. 각 용기에는 동일한 재질의 양극판 밀봉재가 사용됩니다. 재료 상자 구조의 기둥과 양극판은 함께 발열체를 구성합니다. 전류는 로 헤드의 전극을 통해 로 코어의 발열체로 흐르고, 발생한 고온은 상자 안의 양극 재료를 직접 가열하여 흑연화를 달성합니다.
1.4 세 가지 흑연화로 유형 비교
내부 가열식 직렬 흑연화로는 중공 흑연 전극을 가열하여 재료를 직접 가열하는 방식입니다. 전극 도가니를 통과하는 전류에 의해 발생하는 "줄열"이 주로 재료와 도가니를 가열하는 데 사용됩니다. 가열 속도가 빠르고 온도 분포가 균일하며, 저항 가열 방식의 기존 애치슨로보다 열효율이 높습니다. 그리드 박스형 흑연화로는 내부 가열식 직렬 흑연화로의 장점을 활용하면서, 저렴한 예비 소성 양극판을 가열체로 사용합니다. 직렬 흑연화로에 비해 적재 용량이 크고, 단위 제품당 전력 소비량이 그에 따라 감소합니다.
2. 음극 흑연화로의 개발 방향
2.1 외벽 구조 최적화
현재 여러 흑연화로의 단열층은 주로 카본 블랙과 석유 코크스로 채워져 있습니다. 이 단열재는 고온 산화 연소 과정에서 매번 교체 또는 보충이 필요한데, 교체 과정은 환경이 열악하고 노동 강도가 높습니다.
고강도 고온 시멘트 조적벽을 사용하는 것을 고려해 볼 수 있는데, 이는 전체적인 강도를 향상시켜 전체 시공 주기 동안 벽체의 변형 안정성을 확보하고, 벽돌 이음매를 밀봉하여 벽돌 벽의 균열과 이음매 틈을 통해 과도한 공기가 가마로 유입되는 것을 방지하고, 절연재 및 양극재의 산화 연소 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다.
두 번째는 고강도 섬유판이나 규산칼슘판과 같은 전체 이동식 단열층을 용광로 벽 외부에 매달아 설치하는 것입니다. 이는 가열 단계에서 효과적인 밀폐 및 단열 역할을 하며, 냉각 단계에서는 쉽게 제거하여 급속 냉각할 수 있습니다. 세 번째는 용광로 바닥과 벽에 환기 채널을 설치하는 것입니다. 환기 채널은 벨트의 암나사 입구를 가진 조립식 격자 벽돌 구조를 채택하고 고온 시멘트 조적을 지지하는 동시에 냉각 단계에서 강제 환기 냉각을 고려합니다.
2.2 수치 시뮬레이션을 통한 전원 공급 곡선 최적화
현재 음극 흑연화로의 전력 공급 곡선은 경험에 따라 만들어지고 있으며, 흑연화 공정은 온도 및 로 조건에 따라 언제든지 수동으로 조정되고 있어 통일된 기준이 없습니다. 가열 곡선을 최적화하면 전력 소비량을 현저히 줄이고 로의 안전한 작동을 보장할 수 있습니다. 다양한 경계 조건과 물리적 매개변수에 따라 과학적인 방법으로 수치 모델을 구축하고, 흑연화 공정에서 전류, 전압, 총 전력 및 단면 온도 분포 간의 관계를 분석하여 적절한 가열 곡선을 수립하고 실제 작동 중에 지속적으로 조정해야 합니다. 예를 들어, 전력 전달 초기에는 높은 전력을 사용하고, 그 후 전력을 빠르게 줄인 다음 천천히 증가시키고, 마지막으로 전력을 감소시키면서 최종 전력 전달 단계까지 조정하는 방식입니다.
2.3 도가니 및 가열체의 수명 연장
전력 소비량 외에도 도가니와 히터의 수명은 음극흑연화 공정 비용을 직접적으로 결정하는 요소입니다. 흑연 도가니와 흑연 가열체의 경우, 적재 관리 시스템, 가열 및 냉각 속도의 합리적인 제어, 자동 도가니 생산 라인, 산화 방지를 위한 밀봉 강화 등의 조치를 통해 도가니 재활용 횟수를 늘리고 흑연화 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다. 또한, 격자형 상자 흑연화로의 가열판을 예비 소성된 양극, 전극 또는 저항이 높은 고정 탄소 재료의 가열 재료로 사용하여 흑연화 비용을 절감할 수도 있습니다.
2.4 배기가스 제어 및 폐열 활용
흑연화 공정에서 발생하는 배기가스는 주로 양극재의 휘발성 물질 및 연소 생성물, 표면 탄소 연소, 공기 누출 등으로 인해 발생합니다. 특히 용광로 가동 초기에는 휘발성 물질과 분진이 대량으로 배출되어 작업장 환경이 열악하며, 대부분의 기업은 효과적인 처리 방안을 마련하지 못하고 있습니다. 이는 음극 생산 작업자의 산업 안전 및 보건에 가장 큰 영향을 미치는 문제입니다. 따라서 작업장 내 배기가스와 분진의 효과적인 포집 및 관리 방안을 종합적으로 고려하고, 작업장 온도를 낮추고 흑연화 작업장의 작업 환경을 개선하기 위한 적절한 환기 조치를 시행해야 합니다.
연소로를 통해 배출가스를 연소실로 유입시켜 혼합 연소시키면 배출가스 내 타르와 분진 대부분이 제거됩니다. 연소실 내 배출가스 온도는 800℃ 이상으로 유지되며, 배출가스의 폐열은 폐열 증기 보일러 또는 쉘 열교환기를 통해 회수할 수 있습니다. 탄소 아스팔트 매연 처리에 사용되는 RTO 소각 기술을 참고할 수도 있습니다. 이 기술에서는 아스팔트 배출가스를 850~900℃로 가열합니다. 열 저장 연소를 통해 배출가스 내 아스팔트, 휘발성 성분 및 기타 다환 방향족 탄화수소를 산화시키고 최종적으로 CO2와 H2O로 분해하여 99% 이상의 정화 효율을 달성할 수 있습니다. 이 시스템은 안정적인 작동과 높은 가동률을 자랑합니다.
2.5 수직 연속식 음극 흑연화로
앞서 언급한 여러 종류의 흑연화로는 중국에서 양극재 생산에 주로 사용되는 주요 용광로 구조이지만, 공통적으로 주기적이고 간헐적인 생산 방식, 낮은 열효율, 주로 수동 조작에 의존하는 배출 방식, 그리고 낮은 자동화 수준을 특징으로 합니다. 석유 코크스 소성로 및 보크사이트 소성 샤프트로 모델을 참고하여 유사한 수직 연속 음극 흑연화로를 개발할 수 있습니다. 저항 아크를 고온 열원으로 사용하고, 재료는 자체 중력에 의해 연속적으로 배출되며, 배출구 영역에서는 기존의 수냉식 또는 가스화 냉각 방식을 사용하여 고온 재료를 냉각하고, 분말 공압 이송 시스템을 이용하여 용광로 외부로 재료를 배출 및 공급합니다. 이러한 용광로는 연속 생산이 가능하고, 용광로 본체의 열 저장 손실을 무시할 수 있으므로 열효율이 크게 향상되어 생산량 및 에너지 소비 측면에서 뚜렷한 이점을 가지며, 완전 자동 운전이 가능합니다. 해결해야 할 주요 문제는 분말의 유동성, 흑연화 정도의 균일성, 안전성, 온도 모니터링 및 냉각 등입니다. 이 용광로가 산업 규모의 생산에 성공적으로 적용될 경우, 음극 흑연화 분야에 혁명을 일으킬 것으로 기대됩니다.
3 매듭 언어
리튬 배터리 양극재 제조업체들이 직면한 가장 큰 문제는 흑연 화학 공정입니다. 근본적인 이유는 널리 사용되는 주기적 흑연화로가 전력 소비, 비용, 환경 보호, 자동화 수준, 안전성 등 여러 측면에서 여전히 문제점을 안고 있기 때문입니다. 향후 산업의 추세는 완전 자동화 및 조직화된 배출 연속 생산로 구조 개발과 이를 뒷받침하는 성숙하고 신뢰할 수 있는 보조 공정 설비 구축으로 이어질 것입니다. 이러한 변화가 이루어지면 기업들을 괴롭히는 흑연화 관련 문제들이 크게 개선되고, 산업은 안정적인 발전기에 접어들어 신에너지 관련 산업의 빠른 성장을 촉진할 것입니다.
게시 시간: 2022년 8월 19일