【摘 要】本文介紹了石墨化的機理,使二維空間無序的六角碳原子平面變成三維有序空間的重疊;石墨化的設備主要有艾奇遜石墨化爐和內串爐;石墨化的影響因素；

引言

近年來隨著綠色、環保、可持續發展的迫切需要，國家正在大力推行電動新能源汽車，鋰離子新能源動力電池迎來了快速發展的浪潮，鋰離子電池的開發成為了目前的熱點。鋰離子電池因其具有出色的電化學性能，并且還有能量密度高、循環性能優異、壽命長、工作電壓高、自放電小、使用的材料成本低易獲取和無記憶效應等優點，廣泛的的應用在了新能源汽車、儲能設備、電子產品、航空航天等領域，具有廣闊良好的應用前景。

石墨化過程是使碳材料二維空間無序的六角碳原子平面逐漸變成三維有序空間的重疊涂料在線coatingol.com。一般而言，石墨化是從1700℃開始石墨化，在溫度升高過程中，晶體增長，石墨化度提高，層間距變小，2300℃時接近標準石墨。石墨化可以使碳原子進行重排，得到良好的導熱性和低熱膨脹系數，并且可以排除雜質，增加純度。目前在人造石墨石墨化過程中，從發現到大批量生產的百年來，人們提出了三種主要的石墨化理論假說。

一、石墨化機理

1.碳化物轉化理論

碳化物轉化理論最早是由艾奇遜提出，依據合成碳化硅實驗，他認為碳材料是先與礦物質（氧化鐵、氧化鋁、二氧化硅）形成碳化物，然后碳化物在高溫條件下分解成為金屬蒸氣和石墨，其化學反應公式：

2.再結晶理論

再結晶理論由塔曼提出，認為碳材料本身就有很小的石墨晶體，在石墨化時石墨晶體與晶體連接在一起形成大的晶體，而且石墨化過程中也會有新的晶體產生。石墨化的難易程度和結構有關，松散的材料距離長難連接，密實的碳材料更容易連接，容易石墨化。但實際上通過XRD分析，發現大多數碳材料中并沒有晶體結構，因此再結晶理論并沒有得到廣泛認可。

3.微晶生長理論

此理論最早是德拜和謝樂一起提出，他們認為：碳材料是稠環芳香烴化合物，是最原始的物質，在加熱過程中，這些稠環芳香烴化合物會經過分解和聚合等反應，生成炭青質。炭青質連接各種異類原子、官能團等，通過原子之間的作用力，使平面翻轉，形成規則排列的正六角形微晶。由圖1可知，這些微晶不斷生長會轉化為石墨，在1000℃以前無明顯變化，加熱到1000℃-1500℃時，微晶生長加快，側鏈斷裂與六角平面碳原子結合，形成了更大的平面。a軸增長的同時，c軸也在進行生長，長度和厚度都增加，逐漸從認為無序變成三維空間有序的排列，2250-2800℃左右形成接近理想石墨晶體。

二、石墨化設備

1.艾奇遜石墨化爐

艾奇遜石墨化爐是目前使用最廣的，主要是因為艾奇遜石墨化爐的產量較大,適用于實際的大批量生產，經過這么多年的使用，已經形成比較成熟和完善的工藝技術條件。但是艾奇遜石墨化爐也存有一定的不足之處，例如爐內溫度分布不均勻導致，上層、中層、下層溫度差異，使石墨制品在加熱過程中受熱不均勻，導致石墨化產品比表面積存在差異；艾奇遜石墨化爐由于體積大，熱轉化效率低，因此工藝生產過程周期比較長、爐子溫度監控十分困難。目前各石墨化廠商也是在不斷摸索改進，一方面為了節約資源，另一方面提高產量和生產效率。

艾奇遜石墨化爐整體呈長方體形狀，結構包含：爐頭墻體、爐尾墻體、爐底槽體、側墻和導電電極。在石墨化爐底部從下到上依次分別鋪設石英砂、炭黑，然后再擺放坩堝，坩堝表面在鋪煅后焦和石油焦，兩側和頂部鋪保溫料用來保溫，防止熱量散失。因為有些硫化物等加熱會產生一些有害氣體，最后在石墨化爐子頂部加收塵罩，用來收集灰塵和加熱揮發出來的氣體，滿足環保和職業健康方面的要求。裝爐完成后進行送電作業，艾奇遜石墨化爐在大電流的作用下，將石墨化爐的電阻料加熱，把電能轉化為熱能，使爐中的碳材料達到石墨化所需的溫度，經過設定的時間后，完成石墨化過程，在進行降溫，出爐等一系列工序。

2.內串爐

內串爐與艾奇遜石墨化爐相比，外觀上顯著區別是比較長，如果想要提高石墨化后的產量，需要連接多個內串爐。因此需要車間有足夠大的空間，石墨化生產會受廠房的限制。內串爐不需要用電阻料，因為內串爐是延水平方向，將多個焙燒的制品串接形成，焙燒的制品充當了爐芯，所以不需要電阻料。內串爐也不會像艾奇遜石墨化爐那樣依靠加熱電阻料產生的熱量提供石墨化所需熱量。因此它的內阻小，消耗的電量也少，加熱時間短，比較節能。內串爐熱損失少，能達到的溫度高，碳素制品的產品均一性好。但是內串爐也存在一定的缺點，員工操作不當，通常會使碳素材料產生氧化、電阻率升高等問題。所以需要在不斷的實踐和生產中，嚴格按照要求進行操作，對生產過程進行嚴格把控。

三、石墨化的影響因素

1.送電曲線和送電量

在石墨化送電加熱過程中，往往會根據設定好的升 溫曲線進行管控，不同規格的產品使用相應的送電曲 線，送電過程主要分為：升功率階段、恒定功率階段、 降功率階段?？梢酝ㄟ^監控電量單耗和爐溫來判斷石墨 化的進程，及時停爐。石墨化溫度過低和送電量不足會 使石墨在未完全石墨化，石墨化度低，石墨容量偏低。送電量過多或者石墨化溫度過高，會導致石墨容量偏高，氧化使比表面積增大。

2.保溫料

保溫料在石墨化加熱過程中起到保溫作用，防止熱量損失，一般在爐子的兩側和頂部，兩側保溫料厚度一般在300-500mm，頂部保溫料不小于800mm。保溫料應選擇低導熱系數、高電阻率的材料，防止熱量的損失，同時也要保證在石墨化2300℃左右不與碳材料發生反應。

通常保溫料選擇石英砂和冶金焦的混合料。保溫料的性能受保溫料組成、粒度、水分影響。在重復使用過程中，它的粒度會越來越小，舊保溫料回收以后，需要加入一定比例的新料控制兩者的比例，同時摻雜一定的木屑可以使其在石墨化的過程中生成了木炭，提高保溫材料的電阻率，加入太多木屑的話會容易結塊，需要控制木屑加入量。保溫料中煅后焦的顆粒小，會使導熱率變小，一般要求焦粉顆粒在2-9mm。保溫料中的水分越高，其導熱率會越高，導致保溫效果差。

3.電阻料

在石墨化通電加熱時，電阻率會發熱，用來加熱石墨，一般使用石墨化焦作為電阻料。小粒度的電阻料可以將填實空隙，但是重復利用率低，接觸電阻大。大粒度電阻料有可循環使用、接觸電阻小的優點，但是在石墨化過程中填充不實，加熱不均勻。因此，通常不同大小、不同粒度的石墨化焦混合兼顧其優點。在混合過程中要均勻混合，防止產生較大的溫差，影響石墨性能。

4.外界空氣氧化

石墨化加工時，如果外界的空氣和石墨接觸，在高溫條件下發生氧化反應，導致石墨的比表面積發生變化，一般會導致石墨比表面積增大。在石墨化前，應該按照要求檢查石墨化爐的密封情況，如爐底和四周墻體是否存在裂縫。石墨化過中，巡視墻體是否開裂，導致往外躥火。發現異常需要采取相應措施，更換新的磚塊或堵漏。

四、結束語

人造石墨目前主要用于鋰電池負極材料，人造石墨的加工技術工藝，已經變成了新型的熱門產業[7]。石墨化對人造石墨的影響起決定作用，對石墨的物理和化學性能起到決定性作用，通過研究石墨化的機理，控制石墨化過程中的關鍵技術指標、選擇適合的生產設備和工藝，可以提高產能，節約能源。雖然目前發現了石墨烯，具有良好的導電性和強度。但是相對石墨來說，由于其價格和制備等原因還沒有形成量產，主要還是使用石墨作為鋰電池的負極材料。我國是人造石墨生產大國，隨著我國新能源車的不斷推廣，人造石墨的發展前景十分廣闊。