Với sự phát triển nhanh chóng của xe năng lượng mới trên toàn thế giới, nhu cầu thị trường về vật liệu cực dương pin lithium đã tăng lên đáng kể. Theo thống kê, năm 2021, tám doanh nghiệp hàng đầu trong ngành sản xuất cực dương pin lithium dự kiến sẽ mở rộng năng lực sản xuất lên gần một triệu tấn. Quá trình graphit hóa có tác động lớn nhất đến chỉ số và chi phí của vật liệu cực dương. Thiết bị graphit hóa ở Trung Quốc rất đa dạng, tiêu thụ năng lượng cao, gây ô nhiễm nặng và mức độ tự động hóa thấp, điều này hạn chế sự phát triển của vật liệu cực dương graphit ở một mức độ nhất định. Đây là vấn đề chính cần được giải quyết cấp bách trong quy trình sản xuất vật liệu cực dương.
1. Tình hình hiện tại và so sánh lò graphit hóa âm
1.1 Lò nung graphit hóa âm Atchison
Trong loại lò cải tiến dựa trên lò graphit hóa điện cực Aitcheson truyền thống, lò ban đầu được nạp nồi nấu graphit làm chất mang vật liệu điện cực âm (nồi nấu được nạp nguyên liệu thô điện cực âm đã được cacbon hóa), lõi lò được lấp đầy bằng vật liệu điện trở, lớp ngoài được lấp đầy bằng vật liệu cách nhiệt và thành lò được cách nhiệt. Sau khi cấp điện, nhiệt độ cao từ 2800 đến 3000℃ được tạo ra chủ yếu do sự nung nóng của vật liệu điện trở, và vật liệu âm trong nồi nấu được nung nóng gián tiếp để đạt được quá trình in mực đá ở nhiệt độ cao cho vật liệu âm.
1.2. Lò graphit hóa dòng nhiệt bên trong
Mô hình lò này là mô phỏng theo lò graphit hóa nối tiếp được sử dụng để sản xuất điện cực graphit, trong đó một số nồi nấu điện cực (chứa vật liệu điện cực âm) được mắc nối tiếp theo chiều dọc. Nồi nấu điện cực vừa là giá đỡ vừa là bộ phận gia nhiệt, dòng điện chạy qua nồi nấu điện cực để tạo ra nhiệt độ cao và trực tiếp làm nóng vật liệu điện cực âm bên trong. Quá trình graphit hóa không sử dụng vật liệu điện trở, giúp đơn giản hóa thao tác nạp và nung, giảm tổn thất nhiệt tích trữ của vật liệu điện trở, tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
1.3 Lò graphit hóa dạng lưới hộp
Ứng dụng số 1 đang ngày càng tăng trong những năm gần đây, chủ yếu là do nghiên cứu đặc điểm của lò graphit hóa Acheson và công nghệ ghép nối của lò graphit hóa. Lõi lò sử dụng cấu trúc hộp vật liệu dạng lưới tấm anot nhiều mảnh, vật liệu catốt được đưa vào nguyên liệu thô, thông qua các kết nối có rãnh giữa các cột tấm anot được cố định, mỗi hộp chứa đều sử dụng tấm anot được bịt kín bằng cùng một loại vật liệu. Cột và cấu trúc hộp vật liệu tấm anot cùng nhau tạo thành thân gia nhiệt. Dòng điện chạy qua điện cực của đầu lò vào thân gia nhiệt của lõi lò, và nhiệt độ cao sinh ra trực tiếp làm nóng vật liệu anot trong hộp để đạt được mục đích graphit hóa.
1.4 So sánh ba loại lò graphit hóa
Lò graphit hóa nối tiếp gia nhiệt bên trong sử dụng phương pháp gia nhiệt trực tiếp vật liệu bằng cách nung nóng điện cực than chì rỗng. Nhiệt Joule sinh ra từ dòng điện chạy qua nồi nung điện cực chủ yếu được dùng để nung nóng vật liệu và nồi nung. Tốc độ gia nhiệt nhanh, phân bố nhiệt độ đồng đều và hiệu suất nhiệt cao hơn so với lò Atchison truyền thống sử dụng vật liệu gia nhiệt bằng điện trở. Lò graphit hóa dạng lưới kết hợp những ưu điểm của lò graphit hóa nối tiếp gia nhiệt bên trong và sử dụng tấm anode nung sẵn có chi phí thấp hơn làm thân gia nhiệt. So với lò graphit hóa nối tiếp, lò graphit hóa dạng lưới có công suất lớn hơn và điện năng tiêu thụ trên mỗi đơn vị sản phẩm giảm tương ứng.
2. Hướng phát triển của lò graphit hóa âm
2.1 Tối ưu hóa cấu trúc tường bao quanh
Hiện nay, lớp cách nhiệt của một số lò graphit hóa chủ yếu được làm đầy bằng muội than và than cốc dầu mỏ. Trong quá trình sản xuất, khi nung ở nhiệt độ cao và chịu tác động của quá trình oxy hóa, mỗi lần nạp liệu đều cần phải thay thế hoặc bổ sung vật liệu cách nhiệt chuyên dụng, dẫn đến môi trường làm việc khắc nghiệt và cường độ lao động cao.
Có thể xem xét sử dụng gạch xi măng cường độ cao và chịu nhiệt đặc biệt để xây tường, tăng cường độ bền tổng thể, đảm bảo độ ổn định của tường trong suốt chu kỳ hoạt động, chống biến dạng, đồng thời bịt kín các khe gạch, ngăn không cho không khí dư thừa lọt qua các vết nứt và khe hở của tường gạch vào lò, giảm tổn thất do oxy hóa của vật liệu cách nhiệt và vật liệu anot;
Thứ hai là lắp đặt lớp cách nhiệt di động dạng khối lớn treo bên ngoài thành lò, chẳng hạn như sử dụng tấm sợi cường độ cao hoặc tấm canxi silicat, trong giai đoạn gia nhiệt có tác dụng bịt kín và cách nhiệt hiệu quả, còn trong giai đoạn làm nguội thì dễ dàng tháo rời để làm mát nhanh; Thứ ba, bố trí kênh thông gió ở đáy lò và thành lò. Kênh thông gió sử dụng cấu trúc gạch lưới đúc sẵn với miệng lồng vào nhau, đồng thời hỗ trợ tường xi măng chịu nhiệt cao và xem xét việc làm mát bằng thông gió cưỡng bức trong giai đoạn làm nguội.
2.2 Tối ưu hóa đường cong nguồn cung cấp bằng mô phỏng số
Hiện nay, đường cong cấp điện của lò graphit hóa điện cực âm được xây dựng dựa trên kinh nghiệm, và quá trình graphit hóa được điều chỉnh thủ công bất cứ lúc nào theo nhiệt độ và điều kiện lò, hiện chưa có tiêu chuẩn thống nhất. Việc tối ưu hóa đường cong gia nhiệt có thể làm giảm đáng kể chỉ số tiêu thụ điện năng và đảm bảo vận hành an toàn của lò. Cần phải xây dựng mô hình số về sự sắp xếp kim bằng phương pháp khoa học dựa trên các điều kiện biên và thông số vật lý khác nhau, đồng thời phân tích mối quan hệ giữa dòng điện, điện áp, tổng công suất và sự phân bố nhiệt độ của mặt cắt ngang trong quá trình graphit hóa, để từ đó xây dựng đường cong gia nhiệt phù hợp và liên tục điều chỉnh nó trong quá trình vận hành thực tế. Ví dụ, ở giai đoạn đầu truyền tải điện năng sử dụng công suất cao, sau đó nhanh chóng giảm công suất rồi tăng dần, sau đó giảm dần cho đến khi đạt công suất tối đa.
2.3 Kéo dài tuổi thọ của nồi nung và thân gia nhiệt
Ngoài mức tiêu thụ điện năng, tuổi thọ của nồi nấu và bộ phận gia nhiệt cũng quyết định trực tiếp chi phí của quá trình graphit hóa âm. Đối với nồi nấu và bộ phận gia nhiệt bằng than chì, hệ thống quản lý sản xuất, kiểm soát hợp lý tốc độ gia nhiệt và làm nguội, dây chuyền sản xuất nồi nấu tự động, tăng cường độ kín để ngăn ngừa oxy hóa và các biện pháp khác nhằm tăng số lần tái sử dụng nồi nấu, giảm chi phí graphit hóa một cách hiệu quả. Bên cạnh các biện pháp trên, tấm gia nhiệt của lò graphit hóa dạng lưới cũng có thể được sử dụng làm vật liệu gia nhiệt cho cực dương nung sẵn, điện cực hoặc vật liệu cacbon cố định có điện trở suất cao để tiết kiệm chi phí graphit hóa.
2.4 Kiểm soát khí thải và tận dụng nhiệt thải
Khí thải sinh ra trong quá trình graphit hóa chủ yếu đến từ các chất dễ bay hơi và sản phẩm cháy của vật liệu anot, sự cháy của carbon trên bề mặt, rò rỉ không khí, v.v. Khi bắt đầu khởi động lò, một lượng lớn chất dễ bay hơi và bụi thoát ra, môi trường xưởng kém, hầu hết các doanh nghiệp không có biện pháp xử lý hiệu quả, đây là vấn đề lớn nhất ảnh hưởng đến sức khỏe và an toàn lao động của người vận hành trong sản xuất điện cực âm. Cần nỗ lực hơn nữa để xem xét toàn diện việc thu gom và quản lý hiệu quả khí thải và bụi trong xưởng, đồng thời cần có các biện pháp thông gió hợp lý để giảm nhiệt độ xưởng và cải thiện môi trường làm việc của xưởng graphit hóa.
Sau khi khí thải được thu gom qua ống khói vào buồng đốt để tiến hành quá trình đốt hỗn hợp, loại bỏ phần lớn nhựa đường và bụi trong khí thải, dự kiến nhiệt độ khí thải trong buồng đốt sẽ trên 800℃, và nhiệt thải của khí thải có thể được thu hồi thông qua nồi hơi thu hồi nhiệt hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ. Công nghệ đốt RTO được sử dụng trong xử lý khói nhựa đường cacbon cũng có thể được sử dụng để tham khảo, trong đó khí thải nhựa đường được nung nóng đến 850 ~ 900℃. Thông qua quá trình đốt tích trữ nhiệt, nhựa đường, các thành phần dễ bay hơi và các hydrocarbon thơm đa vòng khác trong khí thải được oxy hóa và cuối cùng phân hủy thành CO2 và H2O, hiệu quả làm sạch có thể đạt trên 99%. Hệ thống hoạt động ổn định và có tỷ lệ vận hành cao.
2.5 Lò graphit hóa âm liên tục theo chiều dọc
Các loại lò graphit hóa nêu trên là cấu trúc lò chính để sản xuất vật liệu anot ở Trung Quốc, điểm chung là sản xuất gián đoạn theo chu kỳ, hiệu suất nhiệt thấp, việc xuất liệu chủ yếu dựa vào thao tác thủ công, mức độ tự động hóa không cao. Một lò graphit hóa âm liên tục thẳng đứng tương tự có thể được phát triển bằng cách tham khảo mô hình lò nung than cốc dầu mỏ và lò nung quặng bauxite dạng trục đứng. Hồ quang điện trở được sử dụng làm nguồn nhiệt độ cao, vật liệu được xả liên tục nhờ trọng lực, và cấu trúc làm mát bằng nước hoặc làm mát bằng khí hóa thông thường được sử dụng để làm mát vật liệu nhiệt độ cao ở khu vực cửa ra, và hệ thống vận chuyển bột bằng khí nén được sử dụng để xả và cấp liệu vật liệu ra ngoài lò. Loại lò này có thể thực hiện sản xuất liên tục, tổn thất nhiệt tích trữ trong thân lò có thể được bỏ qua, do đó hiệu suất nhiệt được cải thiện đáng kể, lợi thế về sản lượng và tiêu thụ năng lượng là rõ ràng, và hoạt động hoàn toàn tự động có thể được thực hiện đầy đủ. Các vấn đề chính cần giải quyết là tính lưu động của bột, độ đồng đều của mức độ graphit hóa, an toàn, giám sát nhiệt độ và làm mát, v.v. Người ta tin rằng với sự phát triển thành công của lò nung để sản xuất công nghiệp quy mô lớn, nó sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực graphit hóa điện cực âm.
3. Ngôn ngữ thắt nút
Quá trình hóa học sản xuất than chì là vấn đề lớn nhất gây khó khăn cho các nhà sản xuất vật liệu cực dương pin lithium. Nguyên nhân cơ bản là do vẫn còn một số vấn đề về tiêu thụ điện năng, chi phí, bảo vệ môi trường, mức độ tự động hóa, an toàn và các khía cạnh khác của lò graphit hóa định kỳ được sử dụng rộng rãi. Xu hướng tương lai của ngành công nghiệp là hướng tới phát triển cấu trúc lò sản xuất liên tục tự động hóa hoàn toàn và có hệ thống kiểm soát khí thải, cùng với các thiết bị phụ trợ quy trình hoàn thiện và đáng tin cậy. Khi đó, các vấn đề về graphit hóa đang gây khó khăn cho các doanh nghiệp sẽ được cải thiện đáng kể, và ngành công nghiệp sẽ bước vào giai đoạn phát triển ổn định, thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp liên quan đến năng lượng mới.
Thời gian đăng bài: 19/08/2022