Avec le développement rapide des véhicules à énergies nouvelles à travers le monde, la demande du marché pour les matériaux d'anode des batteries au lithium a considérablement augmenté. Selon les statistiques, en 2021, les huit principaux fabricants d'anodes pour batteries au lithium prévoyaient d'augmenter leur capacité de production à près d'un million de tonnes. La graphitisation est l'étape qui influe le plus sur les caractéristiques et le coût des matériaux d'anode. En Chine, les équipements de graphitisation sont variés, énergivores, polluants et peu automatisés, ce qui limite le développement des matériaux d'anode en graphite. Il s'agit là 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 modifié dérivé du four de graphitisation Aitcheson traditionnel, le four d'origine est chargé d'un creuset en graphite servant de support au matériau d'électrode négative (ce creuset étant rempli de matière première carbonisée pour l'électrode négative). Le cœur du four est rempli d'un matériau résistif, 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 résistif. Le matériau d'électrode négative contenu dans le creuset est chauffé indirectement, permettant ainsi l'encrage à haute température du matériau d'électrode négative.
1.2. Four de graphitisation à chauffage interne en série
Le modèle de four est une référence au four de graphitisation en série utilisé pour la production d'électrodes en graphite. Plusieurs creusets d'électrodes (chargés de matériau d'électrode négative) sont connectés longitudinalement en série. Le creuset d'électrodes sert à la fois de support et d'élément chauffant ; le courant le traverse pour générer une température élevée et chauffer directement le matériau d'électrode négative. Le procédé de graphitisation ne nécessite pas de matériau résistif, ce qui simplifie les opérations de chargement et de cuisson, réduit les pertes thermiques dues à la résistance et permet ainsi de réaliser des économies d'énergie.
1.3 Four de graphitisation à grille
L'utilisation de cette technologie est en augmentation ces dernières années. Elle concerne principalement le four de graphitisation Acheson et sa technologie associée. Le cœur du four est constitué d'une structure en forme de boîte remplie de plusieurs plaques anodiques. Le matériau est introduit dans la cathode par l'intermédiaire de la colonne de plaques anodiques, fixées par des fentes. Chaque boîte est scellée par une plaque anodique du même matériau. L'ensemble formé par la colonne et les plaques anodiques constitue l'élément chauffant. Le courant électrique circule à travers l'électrode de la tête du four jusqu'à l'élément chauffant du cœur, et la haute température ainsi générée chauffe directement le matériau anodique contenu dans la boîte pour réaliser la graphitisation.
1.4 Comparaison de trois types de fours de graphitisation
Le four de graphitisation à chauffage interne en série chauffe directement le matériau par l'intermédiaire d'une électrode creuse en graphite. La chaleur par effet Joule, générée 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 température est uniforme et le rendement thermique supérieur à celui du four Atchison traditionnel à chauffage par résistance. Le four de graphitisation à grille, quant à lui, s'appuie sur les avantages du four à chauffage interne en série et utilise une plaque d'anode précuite, moins coûteuse, comme élément chauffant. Comparé au four à chauffage interne en série, le four à grille présente une capacité de charge plus importante et une consommation d'énergie par unité de produit réduite.
2. Orientation du développement du four de graphitisation négative
2.1 Optimiser la structure du mur périmétrique
Actuellement, la couche d'isolation thermique de plusieurs fours de graphitisation est principalement composée de noir de carbone et de coke de pétrole. Lors de la production par combustion oxydante à haute température, ce matériau isolant doit être remplacé ou complété à chaque chargement. Ce remplacement est une opération pénible et exigeante en main-d'œuvre.
On peut envisager d'utiliser un matériau de maçonnerie de ciment spécial à haute résistance et haute température, l'adobe, pour renforcer la résistance globale, assurer la stabilité du mur en matière de déformation tout au long du cycle de fonctionnement, sceller les joints de briques en même temps, empêcher l'air excessif de pénétrer dans le four à travers les fissures et les joints du mur en briques, et réduire les pertes par combustion oxydative des matériaux isolants et anodiques ;
La deuxième solution consiste à installer une couche d'isolation 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. Durant la phase de chauffage, cette couche assure une étanchéité et une isolation efficaces, tandis que durant la phase de refroidissement, elle est facilement démontable pour un refroidissement rapide. Troisièmement, un canal de ventilation est aménagé au fond et sur la paroi du four. Ce canal est constitué d'une structure préfabriquée en treillis métallique avec des ouvertures pour les bandes isolantes, tout en supportant la maçonnerie en ciment haute température. Il permet ainsi un refroidissement par ventilation forcée durant la phase de refroidissement.
2.2 Optimisation de la courbe d'alimentation par simulation numérique
Actuellement, la courbe d'alimentation du four de graphitisation à électrode négative est établie empiriquement, et le processus de graphitisation est ajusté manuellement en fonction de la température et des conditions du four, sans norme unifiée. L'optimisation de la courbe de chauffage permet de réduire significativement la consommation d'énergie et d'assurer le fonctionnement sûr du four. Un modèle numérique d'alignement de l'aiguille doit être établi scientifiquement, en tenant compte des différentes conditions aux limites et paramètres physiques. La relation entre le courant, la tension, la puissance totale et la distribution de température de la section transversale pendant le processus de graphitisation doit être analysée afin de formuler la courbe de chauffage appropriée et de l'ajuster en continu pendant le fonctionnement. Par exemple, la transmission de puissance peut se faire en début de cycle à haute puissance, puis rapidement à basse puissance, suivie d'une augmentation progressive, et ainsi de suite jusqu'à la fin du cycle.
2.3 Prolonger la durée de vie du creuset et de l'élément chauffant
Outre la consommation d'énergie, la durée de vie du creuset et de l'élément chauffant influe directement sur le coût de la graphitisation négative. Pour les creusets et éléments chauffants en graphite, un système de gestion de la production performant (chargement, contrôle précis des vitesses de chauffage et de refroidissement, automatisation de la production, renforcement de l'étanchéité pour prévenir l'oxydation, etc.) permet d'augmenter le nombre de recyclages et de réduire efficacement le coût de la graphitisation. De plus, la plaque chauffante du four de graphitisation à grille peut être utilisée comme matériau de chauffage (anode précuite, électrode ou matériau carboné fixe à haute résistivité) afin de réduire les coûts de graphitisation.
2.4 Contrôle des gaz de combustion et valorisation de la chaleur résiduelle
Les gaz de combustion générés lors de la graphitisation proviennent principalement des composés volatils et des produits de combustion des matériaux d'anode, de la combustion du carbone en surface, des fuites d'air, etc. Au démarrage du four, une grande quantité de composés volatils et de poussières s'échappe, créant un environnement de travail insalubre. La plupart des entreprises ne disposent pas de mesures de traitement efficaces, ce qui constitue le principal problème pour la santé et la sécurité des opérateurs dans la production d'électrodes négatives. Il est donc essentiel de redoubler d'efforts pour optimiser la collecte et la gestion des gaz de combustion et des poussières dans l'atelier, et de mettre en œuvre des mesures de ventilation adéquates afin de réduire la température et d'améliorer les conditions de travail dans l'atelier de graphitisation.
Après leur collecte dans la chambre de combustion, les gaz de combustion sont acheminés par le conduit vers un système de combustion mixte, éliminant ainsi la majeure partie du goudron et des poussières. La température des gaz dans la chambre de combustion devrait dépasser 800 °C. La chaleur résiduelle de ces gaz peut être récupérée grâce à 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 gaz de combustion d'asphalte sont chauffés entre 850 et 900 °C. Par combustion avec stockage de chaleur, l'asphalte, les composés volatils et les autres hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans les gaz de combustion sont oxydés et finalement décomposés en CO₂ et H₂O. L'efficacité de purification peut ainsi atteindre plus de 99 %. Le système présente un fonctionnement stable et un taux de fonctionnement élevé.
2.5 Four de graphitisation verticale continue à polarité négative
Les différents types de fours de graphitisation mentionnés ci-dessus constituent la principale structure de four utilisée pour la production de matériaux anodiques en Chine. Leur point commun réside dans une production intermittente, un faible rendement thermique et un chargement principalement manuel, le degré d'automatisation étant limité. Un four vertical continu de graphitisation négative similaire peut être développé en s'inspirant des modèles de fours de calcination de coke de pétrole et de fours à cuve pour la calcination de bauxite. L'arc électrique à résistance est utilisé comme source de chaleur à haute température. Le matériau est évacué en continu par gravité, et un système de refroidissement par eau ou par gazéification classique est utilisé pour refroidir le matériau à haute température dans la zone de sortie. Un système de transport pneumatique de poudre assure l'alimentation et l'évacuation du matériau hors du four. Ce type de four permet une production continue, les pertes par stockage de chaleur dans le corps du four sont négligeables, ce qui améliore considérablement le rendement thermique, les avantages en termes de production et de consommation d'énergie, et permet un fonctionnement entièrement automatisé. Les principaux problèmes à résoudre sont la fluidité de la poudre, l'uniformité du degré de graphitisation, la sécurité, la surveillance et le refroidissement de la température, etc. On pense qu'avec le développement réussi du four pour une production industrielle à grande échelle, cela déclenchera une révolution dans le domaine de la graphitisation des électrodes négatives.
3 le langage des nœuds
Le procédé chimique de production de graphite constitue le principal obstacle pour les fabricants de matériaux d'anode pour batteries au lithium. La raison principale réside dans les problèmes persistants liés à la consommation d'énergie, au coût, à la protection de l'environnement, au niveau d'automatisation et à la sécurité des fours de graphitisation périodiques largement utilisés. L'avenir du secteur s'oriente vers le développement de fours de production continue à émissions entièrement automatisés et organisés, associés à des installations auxiliaires fiables et performantes. Dès lors, les problèmes de graphitisation rencontrés par les entreprises seront considérablement résolus, et le secteur entrera dans une phase de développement stable, stimulant ainsi la croissance rapide des industries liées aux énergies nouvelles.
Date de publication : 19 août 2022