随着全球新能源汽车的快速发展，锂电池正极材料的市场需求急剧下降。 据统计，行业前八家锂电池正极企业2021年计划改造近百万吨产能，其中石墨化环节对正极材料的指标和成本影响最大。 国外石墨化设备类型多、能耗高、污染重、手工化程度低，一定程度上限制了石墨正极材料的发展。 这是目前正极材料的生产工艺。 是当前亟待解决的主要问题。
1阴极石墨化炉的现状及比较
1.1 艾奇逊阴极石墨化炉
在传统电极艾奇逊炉石墨化炉的基础上改进的炉型。 原炉内放置石墨坩埚作为正极材料的载体（坩埚内放置碳化的正极原料），炉芯内填充加热内阻材料。 内层采用保温材料和炉壁保温。 通电后，内阻材料发热形成2800-3000℃的低温，间接加热坩埚内的正极材料，最终实现正极材料的低温石墨化，如图1.
1.2 肺热系列石墨化炉
该炉型借鉴了用于石墨电极生产的系列石墨化炉。 多个电极坩埚（内装有正极材料）水平串联。 电极坩埚既是载体又是加热元件。 电压通过电极坩埚形成低温，直接加热内部正极材料。 石墨化工艺不使用内阻材料，简化了安装工艺操作，减少了内阻材料的蓄热损失，节省了能耗，如图2所示。
1.3 网格箱石墨化炉
近年来这种炉型的使用越来越多。 主要借鉴了传统艾奇逊石墨化炉和串联石墨化炉的技术特点。 炉芯采用多块阳极板组成栅格式料箱结构。 放入正极原料，用四面带槽的连接柱固定阳极板。 每个材料盒的顶部和底部均采用相同材料的阳极板密封。 组成料箱结构的立柱和阳极板共同构成加热元件。 电压通过炉头电极传送至炉芯加热元件，形成的低温直接加热箱内正极材料，达到石墨化的目的，如图3所示。
1.4 三种石墨化炉型比较
肺热系列石墨化炉依靠空心石墨电极产生热量直接加热物料。 电压通过电极坩埚形成的“焦耳热”大部分用于加热材料和坩埚。 加热速度快，温度分布均匀，热效率较高。 传统的采用内阻材料产生热量的艾奇逊炉则更高。 网格箱式石墨化炉借鉴了肺热系列石墨化炉的优点，采用成本较低的预焙阳极板作为加热元件。 炉子容量比串联炉大，单位产品能耗也相应。 增加。 三种常见石墨化炉类型的比较如表1所示。
2 正极石墨化炉的发展方向
2.1 优化围墙外墙结构
目前，几种石墨化炉的炉膛保温层主要是炉芯周围填充的炭黑和石油焦。 这部分绝缘材料在生产和预生产过程中会在低温下被氧化和烧蚀。 每次安装都需要更换或补充部分周围的绝缘材料。 更换过程中环境恶劣，劳动强度高。
一种可能的考虑是使用特殊的高硬度、低温砂浆回填炉墙粘土砖，以增加整体硬度并确保外墙在整个运行周期内保持稳定。 同时，砖缝密封性好，有效防止过多空气穿墙开裂、开裂。 砖之间的间隙进入炉内，减少绝缘材料和阴极材料的氧化和烧蚀；
二是在炉壁外侧悬挂安装大型互连保温层，如采用高硬度纤维板或硅酸钙板等，在加热阶段起到有效的密封和保温作用，并且可以冷却阶段可轻易移除，以利于快速冷却； 三是在炉底和炉壁上设置通风道。 通风管道采用预制阴孔格子砖组合结构。 它们还配备低温水泥回填，冷却阶段考虑强制通风冷却。
2.2 通过数值模拟优化功率传输曲线
目前，正极石墨化炉的功率传输曲线是根据经验制定的。 石墨化过程中根据水温和炉况随时手动调节。 没有统一的标准。 优化加热曲线可以显着降低能耗指标，也是烘箱安全运行的可靠保证。 应采用科学手段根据各种边界条件和物理参数构建有针对性的数值模型，分析石墨化过程中电流、电压、总功率与截面空气温度分布的关系，从而制定合适的加热方案曲线，并在实际运行过程中不断调整。 例如，在送电初期采用大功率送电，然后快速增加功率然后温度缓慢上升，在送电结束时再次增加功率，直至送电结束。 传输曲线如图4所示。
2.3延长坩埚和加热元件的使用寿命
除了能耗之外，坩埚和加热元件的寿命也直接决定阴极石墨化的成本。 对于石墨坩埚和石墨加热元件，采用公开的生产管理体系，合理控制加热和冷却速度，手动美容坩埚生产线，加强密封避免氧化，可以减少坩埚的循环次数，有效降低成本的石墨化。 对于网格箱石墨化炉的加热板，除上述措施外，还可以采用内阻较高的预焙阳极、电极或成型碳质材料作为加热元件，以节省石墨化成本。
2.4 烟气处理及余热利用
石墨化过程中形成的烟雾主要来自正极材料逸出的挥发物及部分燃烧产物、表面碳烧蚀、漏气等。在炉启动初期，大量的挥发物和烟雾逸出，车间环境恶劣。 大多数企业没有有效的应对措施。 这是目前影响正极生产操作人员职业健康安全的最大问题。 应加强力度，综合考虑车间烟尘的有效收集和处理，通过合理的通风措施提高车间体温，改善石墨化车间的工作环境。
收集到的烟气可通过烟道在燃烧室中混合燃烧，以除去烟气中的大部分焦油和烟灰。 预计燃烧室烟气温度在800℃以上，可通过余热蒸汽炉。 或采用管壳式换热器回收烟气余热。 还可以借鉴碳沥青烟气处理中采用的RTO焚烧技术，将沥青烟气加热至850-900℃，通过蓄热燃烧的方法，将烟气中的沥青及挥发物等聚环丁二烯物质发生氧化反应，最终分解为CO2和H2O，有效净化效率可达99%以上。 系统运行稳定，开工率高。
2.5卧式连续阴极石墨化炉
上述几种石墨化炉是目前国外正极材料生产的主要炉型结构。 其共同点是周期性间歇生产、热效率低、人工操作、自动化程度低。 借鉴石油焦焙烧炉和铝土矿焙烧竖窑的炉型，可开发类似的卧式连续阴极石墨化炉。 采用内阻电弧作为低温热源，物料靠自身重力连续给料。 出口区采用常规风冷或汽化冷却结构，对低温物料进行冷却。 炉外卸料和装料采用粉体气力输送系统。 该型炉可实现连续化生产，炉体蓄热损失可忽略不计，因此热效率显着提高，产值和煤耗具有显着优势，并可实现全手动操作。
图5是某公司处于实验阶段的连续式粉末石墨化炉。 急需解决的主要问题是粉末的流动性、石墨化程度的均匀性、安全性、温度检测和冷却等。 化学领域的一场革命。
3 结论
石墨化工艺是困扰锂电池正极材料厂商的最大难题。 根本原因是目前广泛使用的几种周期性石墨化炉在能耗、成本、环保、自动化程度、安全性等方面还存在问题。 行业未来的趋势是向全人工组织排放连续生产的炉体结构发展，并配备成熟可靠的辅助工艺设施。 届时，困扰企业的石墨化问题将得到明显改善，行业将进入稳定发展期，推动新能源相关产业快速发展。
