概述

锂离子电池是一种环境友好型高性能可再生能源，主要用于汽车动力电池、 IT 行业的移动电话、笔记本电脑、摄像机、通讯设备和机电产业，为深入贯彻党中央“碳中和”“碳达峰”的战略目标，落实实施《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》的宏伟蓝图，带动以电动车应用为代表的动力电源领域迅速发展。

随着锂电池的用量越来越大，对锂电池负极材料的需求也明显增加。负极材料作为锂电池核心材料之一，对锂电池的最终性能起着至关重要的作用，目前负极材料以技术成熟、价格优势的石墨类负极材料为主。

石墨类负极材料导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构及很高的石墨化度，适合锂离子的嵌入脱嵌，其外观呈银黑金属光泽，充放电比容量可达 360MAH/G，充放电效率在 91%以上，不可逆容量低于 30MAH/G，锂在石墨中脱嵌反应发生在 0～0.25V 左右，具有良好的冲放电平台。

工艺原理

石墨类负极材料是指将无定型碳通过高温使其转化为有序的六角网状二维结构的石墨微晶的石墨化材料，提高负极材料的储锂容量。在达到石墨化温度的情况下，原料中固有的部分杂质灰份可转化氧化物挥发逸出，特别是微量元素铁等磁性物。石墨晶体呈层状结构，具有很强的各向异性，很容易与其它物质发生插层反应，插层反应的生成物称为石墨层间化合物（GIC），被插入的物质被称为插入物。

石墨的嵌锂过程是 Li+嵌入石墨层间的过程，随着锂在石墨中嵌入量的增加，石墨材料的储锂容量增加。目前的技术途径主要是采用炭素工业常用的艾奇逊石墨化炉经过 3000℃以上的温度处理，才能达到较高的容量。石墨化加工工序在石墨类负极材料制造中具有极为重要的作用。理想石墨嵌入 Li+形成 LiC6 时的理论比容量为372mAh/g，而非理想石墨的理论比容量可采用下面的方法进行简单的估算∶克比容量与石墨化度的关系∶372mAh/g×G=372mAh/g×0.93=346mAh/g。

由于内部微观结构的不同，导致在宏观表现的理化性质亦不同，主要炭素制品通过石墨化可以达到下列目的∶①提高产品的电、热传导性;②提高产品的抗热冲击性和化学稳定性;③使产品具有润滑性、抗磨性;④排除杂质、提高纯度。

工艺流程

生产工序为磨粉、整形、包覆、造粒、碳化、石墨化、后处理（除磁整形）、出料包装等。石墨负极高温处理是艾奇逊炉利用焦耳楞次定律，在炉芯通过电流产生焦耳热，可以根据需要将产品加热到指定高温。具体过程如下：

1. 磨粉整形
   作为电极材料的石墨粉应具有窄粒度分布、高振实密度的特点，故需对原料石墨进行磨粉处理，将5-10mm 粒径的原辅材料按照要求磨至 15μm 左右。
2. 包覆造粒
   磨制好的物料，是分散不均匀的，需要与沥青按比例配好后投入到加热式包覆机中进行包覆，使物料分布均匀，使沥青均匀地包裹在石墨粉粒的表面。
3. 碳化
   碳化过程在隔绝空气条件下加热，按一定的升温曲线加热，在1200~1500℃的温度下，使沥青完全炭化成焦。沥青炭化后形成的沥青焦将粉料颗粒固结在一起，具有较高的机械强度、较低的电阻率、较好的热稳定性和化学稳定性。
4. 石墨化
   石墨化是指碳在高温作用下转化为石墨的过程。碳化后物料经高温石墨化处理，将碳材料乱层结构的碳原子晶格，转变为三维有序的层状结构。
5. 磁选
   石墨化产出的负极材料含有一定的杂质，利用除铁机降低物料中的磁性物质及含铁物质成分，将铁含量降至锂电池负极材料的磁性物质产品要求(≤0.1ppm)。
6. 检验、包装
   经除铁工序的物料经检验合格后送入包装机中分装。不合格品返回石墨化装料工序再利用。
7. 填充料筛选分级
   经过真空吸料装置收集的填充料经过密闭的皮带输送机输送至密封振动筛对其进行分级，分级后的煅后石油焦粒和部分石油焦粉回用作为填充料。

原料简介一：天然石墨

球形石墨系以优质高碳天然鳞片石墨为原料，采用先进加工工艺对石墨表面进行改性处理，得到的不同细度、形似椭圆球形的石墨产品。球形石墨材料因具有良好的导电性，结晶度高，

成本低，理论嵌锂容量高，充放电电位低且平坦等特点，是目前作为锂离子电池负极材料重要部分。

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：

1)耐高温型:石墨的熔点为 3850±50℃，沸点为 4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在 2000℃时，石墨强度提高一倍。

2)导电、导热性:石墨的导电性比一般非金属矿高-百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。

3)润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

4)化学稳定性:石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

5)可塑性:石墨的韧性好，可制成很薄的薄片。

6)抗热震性:石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

原料简介二：煅后石油焦

石油焦是黑色或暗黑色坚硬固体石油产品，带有金属光泽，呈多孔性，是由微小石墨结晶形成粒状、柱状或针状构成的炭体物。煅后石油焦是黑色或暗灰色坚硬固体石油产品，带有金属光泽，呈多孔性，是由微小石墨结晶形成粒状、柱状或针状构成的炭体物。石油焦组分是碳氢化合物，含碳 90-97%，含氢 1.5-8%。石油焦是延迟焦化装置的原料油在高温下裂解生产轻质油品时的副产物。石油焦的产量约为原料油的 25-30%。其低位发热量约为煤的 1.5-2 倍，灰分含量不大于 0.5%，挥发分约为 11%左右，品质接近于无烟煤。按热处理温度区分，石油焦可分为生焦和煅后焦两种，生焦由延迟焦化所得，含有大量的挥发分，机械强度低。煅后焦是生焦经煅烧而得，煅烧温度一般在 1400℃左右，煅烧目的是将石油焦挥发分尽量除掉。这样可减少石油焦再制品的氢含量，使石油焦的石墨化程度提高，从而提高石墨电极的高温强度和耐热性能，并改善了石墨电极的电导率。