Avec le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle à l'échelle mondiale, la demande en matériaux d'anode pour batteries au lithium a considérablement augmenté. Selon les statistiques, en 2021, les huit plus grandes entreprises du secteur prévoient d'augmenter leur capacité de production à près d'un million de tonnes. La graphitisation a le plus fort impact sur l'indice et le coût des matériaux d'anode. En Chine, les équipements de graphitisation sont nombreux, consomment beaucoup d'énergie, sont très polluants et sont peu automatisés, ce qui limite dans une certaine mesure le développement des matériaux d'anode en graphite. Il s'agit du principal problème à résoudre d'urgence dans le processus de production de ces matériaux.
1. Situation actuelle et comparaison des fours de graphitisation négative
1.1 Four de graphitisation négative Atchison
Dans le four de graphitisation de type modifié, basé sur le four Aitcheson traditionnel à électrodes, le four d'origine est chargé d'un creuset en graphite servant de support au matériau d'électrode négative (le creuset est chargé de matière première carbonisée pour l'électrode négative). Le cœur du four est rempli d'un matériau de résistance chauffante, tandis que la couche extérieure est remplie d'un matériau isolant et que les parois du four sont isolées. Après électrification, une température élevée de 2800 à 3000 °C est générée principalement par le chauffage du matériau de résistance. Le matériau négatif du creuset est ensuite chauffé indirectement pour obtenir son encrage à haute température.
1.2. Four de graphitisation à chauffage interne en série
Ce modèle de four fait référence au four de graphitisation en série utilisé pour la production d'électrodes en graphite. Plusieurs creusets (chargés de matériau d'électrode négative) sont connectés en série longitudinalement. Le creuset sert à la fois de support et de corps chauffant. Le courant le traverse pour générer une température élevée et chauffer directement le matériau interne de l'électrode négative. Le procédé de graphitisation n'utilise pas de matériau résistif, ce qui simplifie le chargement et la cuisson, réduit les pertes thermiques du matériau résistif et permet de réaliser des économies d'énergie.
1.3 Four de graphitisation à grille
L'application numéro 1 est en plein essor ces dernières années. La principale caractéristique réside dans le four de graphitisation Acheson de la série et dans les caractéristiques techniques connexes du four. Le cœur du four utilise plusieurs pièces de grille anodique, une structure en caisson, le matériau de la cathode étant intégré à la matière première. Les connexions entre la colonne anodique et le caisson sont fixées par des fentes, chaque conteneur étant scellé avec le même matériau. La colonne et la plaque anodique constituent ensemble le corps de chauffe. L'électricité circule à travers l'électrode de la tête du four jusqu'au corps de chauffe du cœur du four, et la température élevée générée chauffe directement le matériau anodique dans le caisson pour réaliser la graphitisation.
1.4 Comparaison de trois types de fours de graphitisation
Le four de graphitisation série à chauffage interne permet de chauffer directement le matériau en chauffant l'électrode creuse en graphite. La chaleur Joule produite par le courant traversant le creuset de l'électrode est principalement utilisée pour chauffer le matériau et le creuset. La vitesse de chauffage est rapide, la répartition de la température est uniforme et le rendement thermique est supérieur à celui d'un four Atchison traditionnel avec chauffage par résistance. Le four de graphitisation à grille-boîte exploite les avantages du four de graphitisation série à chauffage interne et utilise une plaque anodique précuite, moins coûteuse, comme corps de chauffe. Comparé au four de graphitisation série, le four de graphitisation à grille-boîte offre une capacité de charge plus importante et une consommation électrique par unité de produit réduite.
2. Orientation de développement du four de graphitisation négative
2. 1 Optimiser la structure du mur d'enceinte
Actuellement, la couche d'isolation thermique de nombreux fours de graphitisation est principalement composée de noir de carbone et de coke de pétrole. Lors de la production par oxydation à haute température, cette partie du matériau isolant est brûlée. Chaque chargement nécessite le remplacement ou l'ajout d'un matériau isolant spécifique, ce qui entraîne des conditions environnementales difficiles et une forte intensité de main-d'œuvre.
On peut envisager d'utiliser un mur de maçonnerie en ciment spécial à haute résistance et à haute température, en adobe, pour améliorer la résistance globale, assurer la stabilité du mur pendant tout le cycle de fonctionnement en termes de déformation, sceller les joints de briques en même temps, empêcher l'air excessif à travers les fissures du mur de briques et l'espace des joints dans le four, réduire la perte par oxydation et combustion du matériau isolant et des matériaux d'anode ;
La deuxième étape consiste à installer une couche isolante mobile et massive suspendue à l'extérieur de la paroi du four, par exemple en panneaux de fibres haute résistance ou en panneaux de silicate de calcium. La phase de chauffage assure une étanchéité et une isolation efficaces, tandis que la phase de refroidissement est facile à retirer pour un refroidissement rapide. Enfin, un conduit de ventilation est installé au fond et sur la paroi du four. Ce conduit adopte une structure en briques à treillis préfabriquées avec une ouverture femelle de ceinture, tout en supportant la maçonnerie en ciment haute température et en tenant compte du refroidissement par ventilation forcée pendant la phase de refroidissement.
2. 2 Optimiser la courbe d'alimentation par simulation numérique
Actuellement, la courbe d'alimentation du four de graphitisation à électrode négative est établie selon l'expérience acquise. Le processus de graphitisation est ajusté manuellement à tout moment en fonction de la température et des conditions du four. Il n'existe pas de norme unifiée. L'optimisation de la courbe de chauffe permet de réduire la consommation d'énergie et d'assurer la sécurité de fonctionnement du four. Le modèle numérique d'alignement des aiguilles doit être établi scientifiquement, en fonction de diverses conditions limites et paramètres physiques. La relation entre le courant, la tension, la puissance totale et la distribution de température de la section transversale lors du processus de graphitisation doit être analysée afin de formuler la courbe de chauffe appropriée et de l'ajuster en continu en fonctionnement réel. Par exemple, au début de la transmission de puissance, on utilise une transmission de puissance élevée, puis on réduit rapidement la puissance, puis on l'augmente progressivement, puis on la réduit jusqu'à la fin.
2. 3 Prolonger la durée de vie du creuset et du corps chauffant
Outre la consommation d'énergie, la durée de vie du creuset et du corps de chauffe influence directement le coût de la graphitisation négative. Pour les creusets et corps de chauffe en graphite, un système de gestion de la production, un contrôle précis des vitesses de chauffage et de refroidissement, une ligne de production automatique des creusets, un renforcement de l'étanchéité pour prévenir l'oxydation et d'autres mesures visant à accroître le temps de recyclage des creusets permettent de réduire efficacement le coût de l'encrage du graphite. Outre ces mesures, la plaque chauffante du four de graphitisation à grille peut également servir de matériau de chauffage pour les anodes précuites, les électrodes ou les matériaux carbonés fixes à haute résistivité, réduisant ainsi les coûts de graphitisation.
2.4 Contrôle des gaz de combustion et utilisation de la chaleur perdue
Les gaz de combustion générés lors de la graphitisation proviennent principalement des produits volatils et de la combustion des matériaux anodiques, de la combustion du carbone en surface et des fuites d'air. Au démarrage du four, de grandes quantités de gaz volatils et de poussières s'échappent. L'environnement de l'atelier est médiocre et la plupart des entreprises ne disposent pas de mesures de traitement efficaces. Il s'agit du principal problème affectant la santé et la sécurité au travail des opérateurs dans la production d'électrodes négatives. Des efforts accrus doivent être déployés pour une collecte et une gestion efficaces des gaz de combustion et des poussières dans l'atelier, et des mesures de ventilation appropriées doivent être prises pour réduire la température de l'atelier et améliorer l'environnement de travail.
Après la collecte des fumées par le conduit de fumée et leur introduction dans la chambre de combustion, la combustion mixte permet d'éliminer la majeure partie des goudrons et des poussières. La température des fumées dans la chambre de combustion devrait dépasser 800 °C. La chaleur résiduelle des fumées peut être récupérée via une chaudière à vapeur ou un échangeur de chaleur à calandre. La technologie d'incinération RTO utilisée pour le traitement des fumées d'asphalte carboné peut également servir de référence : les fumées d'asphalte sont chauffées à 850-900 °C. Grâce à la combustion par stockage thermique, l'asphalte, les composants volatils et autres hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans les fumées sont oxydés et finalement décomposés en CO2 et H2O, avec un rendement de purification pouvant atteindre plus de 99 %. Le système offre un fonctionnement stable et un taux d'exploitation élevé.
2. 5 Four vertical de graphitisation négative continue
Les différents types de fours de graphitisation mentionnés ci-dessus constituent la principale structure de production de matériaux d'anode en Chine. Leur point commun est une production intermittente et périodique, un faible rendement thermique, un chargement principalement manuel et un faible degré d'automatisation. Un four de graphitisation négatif continu vertical similaire peut être développé en s'inspirant du four de calcination de coke de pétrole et du four à cuve de calcination de bauxite. Un arc résistif est utilisé comme source de chaleur à haute température, le matériau est évacué en continu par gravité. Un système de refroidissement par eau ou par gazéification classique refroidit le matériau à haute température en sortie, tandis qu'un système de transport pneumatique de poudre évacue et alimente le matériau hors du four. Ce type de four permet une production continue, négligeant les pertes de chaleur du corps du four, améliorant ainsi considérablement le rendement thermique, offrant des avantages évidents en termes de rendement et de consommation d'énergie, et permettant un fonctionnement entièrement automatique. Les principaux problèmes à résoudre sont la fluidité de la poudre, l'uniformité du degré de graphitisation, la sécurité, la surveillance de la température et le refroidissement, etc. On pense qu'avec le développement réussi du four pour une production industrielle à grande échelle, il déclenchera une révolution dans le domaine de la graphitisation par électrode négative.
3 le langage des nœuds
Le procédé chimique du graphite constitue le principal problème auquel sont confrontés les fabricants de matériaux d'anode pour batteries au lithium. La raison fondamentale réside dans la persistance de problèmes de consommation d'énergie, de coût, de protection de l'environnement, de degré d'automatisation, de sécurité et d'autres aspects du four de graphitisation périodique, largement utilisé. L'industrie s'oriente vers le développement de fours de production continue à émission entièrement automatisés et organisés, ainsi que vers des installations auxiliaires matures et fiables. Ainsi, les problèmes de graphitisation qui pèsent sur les entreprises seront considérablement améliorés et le secteur entrera dans une période de développement stable, favorisant ainsi l'essor rapide de nouvelles industries liées à l'énergie.
Date de publication : 19 août 2022