全球新能源行業(yè)的高速發(fā)展，使得鋰電池等儲能設備需求也水漲船高。鋰離子電池由正負極、隔膜和電解液等四大主要原材料組成，其中負極材料對鋰離子電池能量密度、循環(huán)壽命和倍率（快充）性能有很大影響。由于石墨成本低的同時，還具有穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子快速脫嵌，具備高容量，高倍率，低溫性能好等電化學性能優(yōu)點，是目前應用最廣泛、技術最成熟的負極材料，在2022年，人造石墨更是市場占據(jù)了負極材料市場的84%，成為了主流的負極材料。人造石墨負極材料的生產(chǎn)主要要經(jīng)過破碎、造粒、石墨化、篩分除磁四大工序，破碎和篩分相對簡單，造粒和石墨化技術含量和技術壁壘高。

什么是石墨化？

石墨是碳的一種同素異形體，只含有碳元素，日常生活中使用的鉛筆就是由石墨制成的。除了石墨，煤炭、金剛石、石墨烯、富勒烯等都是碳，他們之間的區(qū)別是碳原子的排列不同。石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體，由一層一層的碳平面堆疊而成，為六邊形的層狀結(jié)構(gòu)。層與層之間屬于分子晶體，幾乎沒有聯(lián)系，使得它具有良好的導電性和導熱性，但在同一平面層中，各個碳原子相互手拉手，聯(lián)系緊密，所以石墨的熔點很高，化學性質(zhì)也穩(wěn)定。

石墨、金剛石、富勒烯碳原子排列

石墨化，通俗講就是其它晶體結(jié)構(gòu)的碳物質(zhì)，轉(zhuǎn)化成石墨晶體結(jié)構(gòu)的過程。它是將石油焦或針狀焦等無定型炭置于石墨化爐內(nèi)保護介質(zhì)中進行高溫熱處理，從而使六角碳原子平面網(wǎng)格從二維空間的無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間有序重疊的石墨晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。在石墨化過程中，隨著溫度的提高，石墨層間距逐漸變小，到 2 500 ℃時變化顯著，當溫度達到3000 ℃時變化逐漸緩慢，直至完成整個石墨化過程。由于石墨化能夠顯著提升負極材料的比容量、首效、比表面積、導電率、導熱率、抗腐蝕性能及機械加工性能，是保障負極材料質(zhì)量的關鍵工序。由于石墨化過程需要使用高溫熱處理（2300℃-3000℃）對原子重排及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量，屬于高能耗生產(chǎn)環(huán)節(jié)，工業(yè)上只有通過電加熱方式才能實現(xiàn)。目前負極材料石墨化設備按運行方式有艾奇遜石墨化爐、內(nèi)串石墨化爐、箱式石墨化爐和連續(xù)式石墨化爐等。

影響石墨化的因素有哪些？

作為人造石墨負極材料工序中最關鍵的環(huán)節(jié)，石墨化的程度對于鋰電池的性能有重大影響。以下是整理的影響石墨化程度的幾大因素——

1.原料

由于不同的無定形碳的化學組成、分子結(jié)構(gòu)的不同，碳化后這些原子團的聚集狀態(tài)也不一樣。易石墨化的程度也就不同。一般以內(nèi)部結(jié)構(gòu)是平行定向堆積，還是雜亂交錯堆積來區(qū)分原料石墨化的難易程度。微晶排列規(guī)則, 多以平行堆砌為主, 經(jīng)過2000℃ 以上高溫處理后容易轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)的稱為易石墨化炭，也稱為軟炭；微晶排列不規(guī)則, 微晶之間存在較強交聯(lián), 內(nèi)部多微孔，含有大量的氧及氫氧團即使經(jīng)過高溫處理也難以獲得晶體石墨材料的稱為不可石墨化炭，也稱硬碳，可用于鈉離子電池的負極材料。

軟碳、硬碳微觀結(jié)構(gòu)

目前人造石墨的骨料主要分為煤系、石油系以及煤和石油混合系三大類。由于煤系針狀焦、石油系針狀焦以及石油焦在同等溫度下，更易轉(zhuǎn)變?yōu)槭w，屬于易石墨化炭，應用最廣。一般來講，高比容量的負極采用針狀焦作為原材料，普通比容量的負極采用價格更便宜的石油焦作為原料，瀝青則作為粘結(jié)劑。

除了不同系列的原料石墨化難易程度不同外，同屬一個系列的易石墨化碳（如針狀焦系列）通常也會受到產(chǎn)地因素的影響，造成其成分有差異，易石墨化的程度也會略有偏差。比如硫等雜質(zhì)的影響，一方面容易導致制品產(chǎn)生氣漲現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋。另一方面，雜質(zhì)原子不同程度地侵入碳原子的點陣中，并在碳原子的點陣中占據(jù)位置，造成石墨晶格缺陷，使制品的石墨化程度降低。因此，在石墨制品生產(chǎn)中，選擇易石墨化、雜質(zhì)少的原料是生產(chǎn)好制品的先決條件。

2.溫度

高溫是碳轉(zhuǎn)變成石墨的主要外界條件，同種碳材料，溫度越高，電阻率越低，相鄰晶層距離越小，石墨化程度越好。比如石油焦在1700℃開始進行石墨化，一直到2300℃以上才接近于理想石墨結(jié)構(gòu)。

石油焦不同溫度時的石墨化程度

不同的炭材料，開始石墨化轉(zhuǎn)變的溫度也不同。石油焦一般在1700℃就開始石墨化，而瀝青焦則要在2000℃左右才能進入石墨化的轉(zhuǎn)化階段。

3.高溫下的停留時間

在石墨實際生產(chǎn)過程中，石墨化爐芯是由不同規(guī)格的碳制品和電阻料構(gòu)成的，導致各部位爐阻也不相同，使得電流密度不均，各處轉(zhuǎn)化成的熱能也不均，也從而造成爐內(nèi)各部位溫度的不一致。所以，同一石墨化爐內(nèi)，爐芯中央部位和邊緣部位也存在一定的溫差。為了保證整個爐芯的最高溫度基本一致，在達到最高溫度后，常常需要保持一段時間。

小結(jié)

原料是影響石墨化程度的最關鍵因素，其骨料種類決定了石墨化能否進行，純度影響石墨化程度和成品品質(zhì)。溫度及高溫停留時間則是碳轉(zhuǎn)變成石墨的主要外界條件。除了以上因素外，提高壓力、添加硼、鐵、硅、鈦、鎳、鎂等作為催化劑在理論上也對石墨化程度有促進作用。在石墨化的過程中，生產(chǎn)廠家應控制好關鍵的技術指標，選擇適合的生產(chǎn)設備和工藝來提升產(chǎn)能、節(jié)約能源。

參考來源：

鋰電池負極材料人造石墨生產(chǎn)工藝（高端碳材料）

石墨化概述—影響石墨化的因素（南墅石墨礦）

負極材料石墨化主流工藝及技術要點，高風揚,王利儒（寶方炭材料科技有限公司）

主流負極石墨化工藝詳解（SMM石墨負極）

粉體圈Corange

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責任。