一、基本概述

定義：負(fù)極材料連續(xù)石墨化（continuous graphitization of negative electrode materials）是一種用于制造鋰電池負(fù)極材料中的人造石墨的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。

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圖：不同形態(tài)的人造石墨

二、分類信息

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三、詳細(xì)解釋

負(fù)極材料是鋰電池中用于存儲(chǔ)鋰離子的材料。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過(guò)電解液嵌入到負(fù)極材料中；在放電過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極材料中脫出，經(jīng)過(guò)電解液嵌入到正極材料中。因此，負(fù)極材料的性能直接決定了電池的充放電效率、容量和循環(huán)壽命,是鋰電池的關(guān)鍵材料之一。

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圖：鋰電池的工作原理

負(fù)極材料最常用的類型是石墨類碳材料，主要包括天然石墨和人造石墨。天然石墨雖然具備成本和比容量?jī)?yōu)勢(shì)，但人造石墨在循環(huán)性能、安全性能、充放電倍率表現(xiàn)更為優(yōu)秀，目前的市占率在80%以上。

負(fù)極材料石墨化是鋰電池負(fù)極材料中人造石墨生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵工藝步驟。通過(guò)在2300~3000℃的極高溫條件下加熱，促使碳原子從無(wú)序、雜亂的結(jié)構(gòu)重新排列，最終形成規(guī)則的六方層狀石墨晶體結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程使材料具備優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和機(jī)械穩(wěn)定性，是鋰電池負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)高倍率性能、長(zhǎng)循環(huán)壽命的基礎(chǔ)。但石墨化過(guò)程能耗極高，對(duì)設(shè)備、工藝控制和雜質(zhì)管理要求非常苛刻，一直是人造石墨負(fù)極生產(chǎn)中的技術(shù)瓶頸和成本核心，石墨化工序成本占負(fù)極材料整體成本的40%-50%。

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圖：石墨化晶格轉(zhuǎn)變示意圖

目前行業(yè)主流仍采用傳統(tǒng)的間歇式石墨化工藝，主要包括艾奇遜爐、箱式爐、內(nèi)串爐等模式。其特點(diǎn)是單爐單批次生產(chǎn)，加熱、保溫、冷卻周期長(zhǎng)，設(shè)備利用率偏低，整體能效不足30%。在高溫多輪反復(fù)加熱過(guò)程中，爐體長(zhǎng)期受熱易老化變形，影響石墨化質(zhì)量穩(wěn)定性。同時(shí)，傳統(tǒng)工藝在溫控精度、雜質(zhì)去除、高純度石墨化度控制等方面存在較大挑戰(zhàn)，尤其在面對(duì)高端動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的質(zhì)量一致性要求時(shí)，工藝短板日益突出。此外，傳統(tǒng)工藝單爐產(chǎn)能有限，擴(kuò)產(chǎn)主要依賴增加爐數(shù)量，投資強(qiáng)度大、土地消耗高，碳排放壓力不斷增加，與當(dāng)前綠色制造、降本增效和“雙碳”目標(biāo)存在矛盾。

連續(xù)石墨化技術(shù)是在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上的重大升級(jí)，采用連續(xù)進(jìn)出料和多溫區(qū)自動(dòng)精準(zhǔn)控溫，實(shí)現(xiàn)全流程不停電、物料連續(xù)流動(dòng)，熱效率提升至70%以上。在保證石墨化質(zhì)量一致性的同時(shí)，大幅降低單位能耗和碳排放，明顯提升了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)性。

連續(xù)石墨化尤其適應(yīng)當(dāng)前國(guó)際碳排放交易機(jī)制和新能源產(chǎn)業(yè)鏈低碳制造要求，具備長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì),是負(fù)極材料制造升級(jí)、綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵突破口。

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四、應(yīng)用領(lǐng)域/前景

石墨化工藝特別是連續(xù)石墨化技術(shù)，在鋰電池負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要應(yīng)用價(jià)值。隨著新能源汽車、儲(chǔ)能電站、便攜式電子產(chǎn)品等市場(chǎng)快速擴(kuò)張，鋰電池產(chǎn)能持續(xù)提升，對(duì)負(fù)極材料的制造規(guī)模、產(chǎn)品一致性與成本控制提出了更高要求。作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中技術(shù)壁壘最高、能耗強(qiáng)度最大的工序，石墨化技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)直接影響到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力。連續(xù)石墨化通過(guò)連續(xù)進(jìn)料、多溫區(qū)精準(zhǔn)控溫及智能化控制，突破了傳統(tǒng)間歇式石墨化存在的產(chǎn)能瓶頸、能效低下與排放壓力等難題，實(shí)現(xiàn)了熱效率提升至70%以上，單位能耗與碳排放大幅下降，成為綠色制造與低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)路徑。

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)已有多家骨干企業(yè)布局連續(xù)石墨化技術(shù)，部分已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定規(guī)模化生產(chǎn)，形成了低能耗、高效率、高一致性的負(fù)極材料供應(yīng)能力。在裝備設(shè)計(jì)、高溫?zé)釄?chǎng)控制、雜質(zhì)凈化技術(shù)、智能制造系統(tǒng)等方面持續(xù)形成多點(diǎn)技術(shù)突破，推動(dòng)連續(xù)石墨化工藝從示范應(yīng)用向產(chǎn)業(yè)化加速推進(jìn)。部分連續(xù)石墨化生產(chǎn)線在能耗降低、碳排放控制、污染治理、生產(chǎn)周期縮短等方面已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。隨著碳中和、碳交易機(jī)制日益完善，低碳制造能力將成為未來(lái)鋰電池產(chǎn)業(yè)新的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)高地。下一步，連續(xù)石墨化技術(shù)仍需在設(shè)備高溫耐久性、復(fù)雜工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)智能控制、高純度石墨化度穩(wěn)定性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)持續(xù)攻關(guān)，逐步實(shí)現(xiàn)全流程智能感知與質(zhì)量追溯。其廣泛應(yīng)用不僅有助于鋰電產(chǎn)業(yè)鏈整體降本增效，更將在支撐固態(tài)電池、快充電池、大規(guī)模儲(chǔ)能等新型電池體系發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用，為我國(guó)新能源材料產(chǎn)業(yè)構(gòu)筑長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

五、綠色應(yīng)用難點(diǎn)

負(fù)極材料連續(xù)石墨化技術(shù)雖然在能耗和碳排放方面較傳統(tǒng)工藝有顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一系列綠色應(yīng)用難點(diǎn)，引發(fā)了行業(yè)和社會(huì)的廣泛關(guān)注。

一是能源消耗與碳排放轉(zhuǎn)移問(wèn)題。連續(xù)石墨化雖然在單位能耗和碳排放指標(biāo)上較傳統(tǒng)工藝大幅下降，但整體工序依然屬于高溫高能耗行業(yè)。在全球能源緊平衡背景下，如何在產(chǎn)業(yè)擴(kuò)產(chǎn)過(guò)程中合理規(guī)劃能源消耗總量、避免“能耗轉(zhuǎn)移”與局部高能耗集中，成為政策制定與地方產(chǎn)業(yè)布局中需要權(quán)衡的重要議題。

二是產(chǎn)業(yè)集中化帶來(lái)的區(qū)域發(fā)展不均衡問(wèn)題。連續(xù)石墨化技術(shù)對(duì)高溫裝備、智能制造系統(tǒng)與資金投入門(mén)檻較高，易形成頭部企業(yè)技術(shù)、產(chǎn)能、客戶集中效應(yīng)，部分中小企業(yè)面臨技術(shù)難以突破、難以進(jìn)入高端供應(yīng)鏈體系的問(wèn)題。這對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈整體的開(kāi)放性、公平競(jìng)爭(zhēng)與技術(shù)普惠性提出新挑戰(zhàn)。

三是裝備技術(shù)自主可控問(wèn)題。連續(xù)石墨化裝備核心部件如高溫耐材、智能控溫系統(tǒng)、高精密在線檢測(cè)設(shè)備等技術(shù)環(huán)節(jié)部分仍依賴國(guó)外高端裝備及控制系統(tǒng)進(jìn)口，產(chǎn)業(yè)安全與自主可控能力建設(shè)成為長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的倫理與戰(zhàn)略性考量。

此外，產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張過(guò)程中的資源消耗與環(huán)境影響仍需持續(xù)關(guān)注。石墨化前端碳源材料仍以石油焦、煤系焦為主，其清潔加工、綠色采購(gòu)與原料可持續(xù)性問(wèn)題，直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的綠色轉(zhuǎn)型深度。部分地方政府在招商引資過(guò)程中需防范“低水平重復(fù)建設(shè)”與環(huán)保壓力外溢問(wèn)題，避免出現(xiàn)短期經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡。

六、研究進(jìn)展

隨著連續(xù)石墨化技術(shù)逐步走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，圍繞其核心工藝與配套系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外正在持續(xù)開(kāi)展多學(xué)科交叉融合的技術(shù)攻關(guān)，主要聚焦以下研究方向：

一是在高溫裝備與材料技術(shù)方面，研究如何提升連續(xù)高溫爐體材料的耐久性、熱穩(wěn)定性與抗熱疲勞性能。連續(xù)運(yùn)行條件下，爐膛長(zhǎng)期承受極高溫度與熱應(yīng)力，耐材壽命與熱場(chǎng)均勻性直接影響生產(chǎn)穩(wěn)定性與產(chǎn)品一致性。

二是在動(dòng)態(tài)溫區(qū)精準(zhǔn)控制與智能調(diào)節(jié)領(lǐng)域，發(fā)展高精度多段控溫技術(shù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料在石墨化全過(guò)程中的溫度、氣氛、升溫速率等關(guān)鍵參數(shù)的智能反饋控制，提升工藝穩(wěn)定性與產(chǎn)品一致性。

三是在雜質(zhì)遷移與精細(xì)凈化機(jī)制方面，深入研究高溫條件下雜質(zhì)元素的遷移行為與去除機(jī)制，開(kāi)發(fā)高效凈化工藝與輔助氣氛控制技術(shù)，進(jìn)一步提升石墨化材料的純凈度與高端應(yīng)用適配能力。

四是在智能制造與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工藝優(yōu)化方向，推動(dòng)大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等新技術(shù)與石墨化生產(chǎn)過(guò)程深度融合，實(shí)現(xiàn)全流程智能感知、故障預(yù)測(cè)、過(guò)程自優(yōu)化與質(zhì)量追溯。

五是在綠色低碳與能效提升體系化研究方面，探索低碳排放配套系統(tǒng)集成，如尾氣余熱回收、能量綜合利用與碳排放實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)負(fù)極材料生產(chǎn)全流程綠色化、低碳化提供系統(tǒng)解決方案。

整體來(lái)看，連續(xù)石墨化已不再是單一設(shè)備的優(yōu)化問(wèn)題，而正在向裝備-材料-工藝-智能控制-綠色制造的系統(tǒng)集成創(chuàng)新方向加速演進(jìn)，成為鋰電負(fù)極制造領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的核心攻堅(jiān)方向。

本詞條貢獻(xiàn)者：

董錦洋，北京理工大學(xué)博士后，中國(guó)化學(xué)會(huì)、中國(guó)化工學(xué)會(huì)、中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)員。

路瑞剛，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)科普文化與傳播部部長(zhǎng)

本詞條審核專家：

陳來(lái)，北京理工大學(xué)材料學(xué)院特別研究員、博士生導(dǎo)師，北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心副主任，IEEE PES儲(chǔ)能技術(shù)委員會(huì)（中國(guó)）儲(chǔ)能材料與器件技術(shù)分委會(huì)常務(wù)理事，重慶材料學(xué)會(huì)第五屆理事會(huì)理事，重慶市知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究會(huì)第五屆理事會(huì)理事，中國(guó)兵工學(xué)會(huì)、中國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)員，入選第四屆中國(guó)科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃、北京市科技新星計(jì)劃。

參考資料：

[1] 華安證券：新能源與汽車行業(yè)新能源鋰電池系列報(bào)告https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202203081551354825_1.pdf

[2] 坤天新能連續(xù)式石墨化工藝量產(chǎn) 人造石墨負(fù)極生產(chǎn)一體化提速

https://www.stcn.com/article/detail/1447269.html

[3] 呂博等.鋰電池負(fù)極石墨化爐技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

[4]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.關(guān)于《石墨行業(yè)規(guī)范條件》的公告: 2020年第29號(hào)[EB/OL]. https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-07/14/content_5526718.htm

[5]鋰電池負(fù)極材料人造石墨生產(chǎn)工藝詳解

https://mp.weixin.qq.com/s/vSlkTAvA7OIhziB9MzEssQ

來(lái)源: 科普中國(guó)

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