สถานการณ์ปัจจุบันและทิศทางของเทคโนโลยีการสร้างกราไฟต์เชิงลบ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของยานยนต์พลังงานใหม่ทั่วโลก ความต้องการวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก จากสถิติพบว่า ในปี 2021 บริษัทผู้ผลิตแอโนดแบตเตอรี่ลิเธียมชั้นนำ 8 อันดับแรกวางแผนที่จะขยายกำลังการผลิตให้เกือบหนึ่งล้านตัน กระบวนการกราไฟต์มีผลกระทบมากที่สุดต่อดัชนีและต้นทุนของวัสดุแอโนด อุปกรณ์กราไฟต์ในประเทศจีนมีหลายประเภท ใช้พลังงานสูง ก่อให้เกิดมลพิษมาก และมีระดับการทำงานอัตโนมัติต่ำ ซึ่งจำกัดการพัฒนาวัสดุแอโนดกราไฟต์ในระดับหนึ่ง นี่เป็นปัญหาหลักที่ต้องแก้ไขอย่างเร่งด่วนในกระบวนการผลิตวัสดุแอโนด

1. สถานการณ์ปัจจุบันและการเปรียบเทียบเตาเผากราไฟต์เชิงลบ

1.1 เตาเผาแกรไฟต์เชิงลบของแอตชิสัน

ในเตาเผาแบบดัดแปลงที่พัฒนามาจากเตาเผากราไฟต์แบบอิเล็กโทรด Aitcheson แบบดั้งเดิม เตาเผาแบบเดิมจะบรรจุเบ้าหลอมกราไฟต์เป็นตัวรองรับวัสดุอิเล็กโทรดลบ (เบ้าหลอมบรรจุด้วยวัตถุดิบอิเล็กโทรดลบที่ผ่านการคาร์บอนไนซ์แล้ว) แกนกลางของเตาเผาจะบรรจุด้วยวัสดุต้านทานความร้อน ชั้นนอกสุดจะบรรจุด้วยวัสดุฉนวน และผนังเตาเผาจะเป็นฉนวน หลังจากจ่ายกระแสไฟฟ้าแล้ว อุณหภูมิสูง 2800 ~ 3000℃ จะเกิดขึ้นเป็นหลักจากการให้ความร้อนแก่วัสดุต้านทาน และวัสดุลบในเบ้าหลอมจะได้รับความร้อนทางอ้อม ทำให้เกิดการหลอมละลายของวัสดุลบด้วยอุณหภูมิสูง

1.2. เตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมความร้อนภายใน

แบบจำลองเตาเผาเป็นแบบอ้างอิงถึงเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมที่ใช้ในการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ โดยมีเบ้าอิเล็กโทรดหลายอัน (บรรจุวัสดุอิเล็กโทรดลบ) ต่อกันเป็นอนุกรมตามแนวยาว เบ้าอิเล็กโทรดทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวนำและตัวให้ความร้อน กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเบ้าอิเล็กโทรดเพื่อสร้างอุณหภูมิสูงและให้ความร้อนแก่วัสดุอิเล็กโทรดลบภายในโดยตรง กระบวนการกราไฟต์นี้ไม่ใช้วัสดุต้านทาน ทำให้ขั้นตอนการบรรจุและการอบง่ายขึ้น ลดการสูญเสียความร้อนจากวัสดุต้านทาน และประหยัดพลังงาน

1.3 เตาเผากราไฟต์แบบกล่องตะแกรง

การใช้งานอันดับ 1 เพิ่มขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยหลักๆ แล้วคือการเรียนรู้เกี่ยวกับเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมของ Acheson และลักษณะเฉพาะของเทคโนโลยีเตาเผากราไฟต์แบบต่อพ่วง ซึ่งแกนเตาใช้โครงสร้างกล่องวัสดุตะแกรงแผ่นแอโนดหลายชิ้น วัสดุเข้าสู่แอโนดในวัตถุดิบ ผ่านการเชื่อมต่อแบบร่องระหว่างเสาแผ่นแอโนดทั้งหมด แต่ละภาชนะใช้แผ่นแอโนดปิดผนึกด้วยวัสดุเดียวกัน เสาและแผ่นแอโนดของโครงสร้างกล่องวัสดุประกอบกันเป็นตัวทำความร้อน กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอิเล็กโทรดที่หัวเตาเข้าสู่ตัวทำความร้อนของแกนเตา และอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นจะให้ความร้อนแก่วัสดุแอโนดในกล่องโดยตรงเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการกราไฟต์

1.4 การเปรียบเทียบเตาเผากราไฟต์สามประเภท

เตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมความร้อนภายในใช้ความร้อนโดยตรงจากอิเล็กโทรดกราไฟต์กลวงในการให้ความร้อนแก่วัสดุ ความร้อนจูลที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเบ้าหลอมอิเล็กโทรดส่วนใหญ่ใช้ในการให้ความร้อนแก่วัสดุและเบ้าหลอม ความเร็วในการให้ความร้อนสูง การกระจายอุณหภูมิสม่ำเสมอ และประสิทธิภาพทางความร้อนสูงกว่าเตาเผาแบบ Atchison แบบดั้งเดิมที่ใช้การให้ความร้อนด้วยวัสดุต้านทาน เตาเผากราไฟต์แบบตะแกรงกล่องดึงเอาข้อดีของเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมความร้อนภายในมาใช้ และใช้แผ่นแอโนดอบล่วงหน้าที่มีต้นทุนต่ำกว่าเป็นตัวให้ความร้อน เมื่อเทียบกับเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรม เตาเผากราไฟต์แบบตะแกรงกล่องมีกำลังการผลิตที่มากกว่า และการใช้พลังงานต่อหน่วยผลิตภัณฑ์ลดลงตามไปด้วย

2. ทิศทางการพัฒนาเตาเผากราไฟต์เชิงลบ

2.1 ปรับปรุงโครงสร้างกำแพงรอบพื้นที่ให้เหมาะสมที่สุด

ในปัจจุบัน ชั้นฉนวนกันความร้อนของเตาเผากราไฟต์หลายแห่งส่วนใหญ่บรรจุด้วยผงคาร์บอนแบล็กและปิโตรเลียมโค้ก วัสดุฉนวนส่วนนี้ในระหว่างกระบวนการผลิตที่เกิดการเผาไหม้ออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง จำเป็นต้องเปลี่ยนหรือเติมวัสดุฉนวนพิเศษทุกครั้งที่มีการนำวัสดุออก ซึ่งกระบวนการเปลี่ยนนั้นมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยและต้องใช้แรงงานสูง

อาจพิจารณาใช้ปูนซีเมนต์ชนิดพิเศษที่มีความแข็งแรงสูงและทนความร้อนสูงในการก่อสร้างผนังอิฐ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดยรวม ทำให้ผนังมีความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงรูปทรงตลอดวงจรการใช้งาน พร้อมทั้งปิดรอยต่ออิฐ ป้องกันอากาศแทรกซึมผ่านรอยแตกและช่องว่างระหว่างอิฐเข้าไปในเตาเผา ลดการสูญเสียจากการเผาไหม้ออกซิเดชันของวัสดุฉนวนและวัสดุขั้วบวก

ประการที่สองคือการติดตั้งฉนวนกันความร้อนแบบเคลื่อนที่ได้ขนาดใหญ่ที่แขวนอยู่นอกผนังเตา เช่น การใช้แผ่นใยไม้อัดความแข็งแรงสูงหรือแผ่นแคลเซียมซิลิเกต ซึ่งในขั้นตอนการทำความร้อนจะทำหน้าที่ปิดผนึกและเป็นฉนวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และในขั้นตอนการทำความเย็นก็สามารถถอดออกได้สะดวกเพื่อการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ประการที่สามคือการติดตั้งช่องระบายอากาศที่ด้านล่างของเตาและผนังเตา ช่องระบายอากาศใช้โครงสร้างอิฐตาข่ายสำเร็จรูปที่มีปากตัวเมียของสายพาน ในขณะเดียวกันก็รองรับงานก่ออิฐซีเมนต์ทนความร้อน และคำนึงถึงการระบายความร้อนด้วยการระบายอากาศแบบบังคับในขั้นตอนการทำความเย็น

2.2 ปรับปรุงเส้นโค้งการจ่ายพลังงานให้เหมาะสมที่สุดด้วยการจำลองเชิงตัวเลข

ปัจจุบัน เส้นกราฟการจ่ายพลังงานของเตาเผากราไฟต์แบบขั้วลบนั้นสร้างขึ้นตามประสบการณ์ และกระบวนการกราไฟต์จะถูกปรับด้วยตนเองตลอดเวลาตามอุณหภูมิและสภาพของเตา โดยไม่มีมาตรฐานที่เป็นเอกภาพ การปรับปรุงเส้นกราฟการให้ความร้อนสามารถลดดัชนีการใช้พลังงานและรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยของเตาได้อย่างชัดเจน ควรสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขของการจัดเรียงเข็มด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ตามเงื่อนไขขอบเขตและพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ และควรวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างกระแส แรงดัน กำลังไฟฟ้ารวม และการกระจายอุณหภูมิของหน้าตัดในกระบวนการกราไฟต์ เพื่อกำหนดเส้นกราฟการให้ความร้อนที่เหมาะสมและปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องในการใช้งานจริง เช่น ในช่วงแรกของการส่งกำลังไฟฟ้าจะใช้กำลังไฟฟ้าสูง จากนั้นลดกำลังไฟฟ้าลงอย่างรวดเร็ว แล้วค่อยๆ เพิ่มขึ้น และเพิ่มกำลังไฟฟ้าขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งกำลังไฟฟ้าลดลงจนหมด

2.3 ยืดอายุการใช้งานของเบ้าหลอมและตัวให้ความร้อน

นอกเหนือจากปริมาณการใช้พลังงานแล้ว อายุการใช้งานของเบ้าหลอมและตัวทำความร้อนยังเป็นตัวกำหนดต้นทุนของการทำกราไฟต์แบบลบโดยตรง สำหรับเบ้าหลอมกราไฟต์และตัวทำความร้อนกราไฟต์ ระบบการจัดการการผลิต เช่น การควบคุมการขนถ่าย การควบคุมอัตราการให้ความร้อนและการระบายความร้อนอย่างเหมาะสม สายการผลิตเบ้าหลอมอัตโนมัติ การเสริมความแข็งแรงของการปิดผนึกเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน และมาตรการอื่นๆ เพื่อเพิ่มจำนวนครั้งในการนำเบ้าหลอมกลับมาใช้ใหม่ จะช่วยลดต้นทุนการทำกราไฟต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากมาตรการข้างต้นแล้ว แผ่นทำความร้อนของเตาเผากราไฟต์แบบตะแกรงยังสามารถใช้เป็นวัสดุทำความร้อนสำหรับขั้วบวกที่ผ่านการอบล่วงหน้า ขั้วไฟฟ้า หรือวัสดุคาร์บอนที่มีความต้านทานสูง เพื่อประหยัดต้นทุนการทำกราไฟต์ได้อีกด้วย

2.4 การควบคุมก๊าซไอเสียและการใช้ประโยชน์จากความร้อนเหลือทิ้ง

ก๊าซไอเสียที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการกราไฟต์ส่วนใหญ่มาจากสารระเหยและผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ของวัสดุขั้วบวก การเผาไหม้ของคาร์บอนบนพื้นผิว การรั่วไหลของอากาศ และอื่นๆ ในช่วงเริ่มต้นการเดินเครื่องเตาเผา สารระเหยและฝุ่นละอองจะฟุ้งกระจายออกมาเป็นจำนวนมาก สภาพแวดล้อมในโรงงานไม่ดี และสถานประกอบการส่วนใหญ่ยังไม่มีมาตรการบำบัดที่มีประสิทธิภาพ นี่เป็นปัญหาใหญ่ที่สุดที่ส่งผลกระทบต่อสุขภาพและความปลอดภัยในการทำงานของคนงานในกระบวนการผลิตขั้วลบ ควรมีการพยายามมากขึ้นในการพิจารณาอย่างรอบด้านเกี่ยวกับการรวบรวมและจัดการก๊าซไอเสียและฝุ่นละอองในโรงงานอย่างมีประสิทธิภาพ และควรใช้มาตรการระบายอากาศที่เหมาะสมเพื่อลดอุณหภูมิในโรงงานและปรับปรุงสภาพแวดล้อมการทำงานของโรงงานกราไฟต์

หลังจากที่รวบรวมก๊าซไอเสียผ่านปล่องไฟเข้าสู่ห้องเผาไหม้แบบผสมแล้ว จะสามารถกำจัดน้ำมันดินและฝุ่นละอองส่วนใหญ่ในก๊าซไอเสียได้ โดยคาดว่าอุณหภูมิของก๊าซไอเสียในห้องเผาไหม้จะสูงกว่า 800℃ และสามารถนำความร้อนเหลือทิ้งของก๊าซไอเสียกลับมาใช้ใหม่ได้ผ่านหม้อไอน้ำหรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกหุ้ม เทคโนโลยีการเผาไหม้แบบ RTO ที่ใช้ในการบำบัดควันแอสฟัลต์คาร์บอนก็สามารถนำมาใช้เป็นแบบอย่างได้เช่นกัน โดยก๊าซไอเสียจากแอสฟัลต์จะถูกทำให้ร้อนถึง 850 ~ 900℃ ผ่านการเผาไหม้แบบเก็บความร้อน แอสฟัลต์และส่วนประกอบระเหยง่าย รวมถึงสารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิกอื่นๆ ในก๊าซไอเสียจะถูกออกซิไดซ์และสลายตัวในที่สุดเป็น CO2 และ H2O ประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์อย่างมีประสิทธิภาพสามารถสูงกว่า 99% ระบบมีการทำงานที่เสถียรและอัตราการทำงานสูง

2.5 เตาเผากราไฟต์แบบต่อเนื่องแนวตั้งเชิงลบ

เตาเผาแกรไฟต์หลายชนิดที่กล่าวมาข้างต้นเป็นโครงสร้างเตาเผาหลักในการผลิตวัสดุแอโนดในประเทศจีน จุดร่วมคือการผลิตแบบไม่ต่อเนื่องเป็นช่วงๆ ประสิทธิภาพความร้อนต่ำ การขนถ่ายวัสดุส่วนใหญ่ต้องอาศัยการทำงานด้วยมือ ระดับการทำงานอัตโนมัติไม่สูง สามารถพัฒนาเตาเผาแกรไฟต์แบบต่อเนื่องแนวตั้งที่คล้ายกันได้โดยอ้างอิงจากแบบจำลองของเตาเผาโค้กปิโตรเลียมและเตาเผาบอกไซต์แบบเพลา โดยใช้ความต้านทานไฟฟ้าแบบอาร์คเป็นแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง วัสดุจะถูกปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องด้วยแรงโน้มถ่วงของตัวเอง และใช้โครงสร้างการระบายความร้อนด้วยน้ำหรือการระบายความร้อนด้วยแก๊สแบบดั้งเดิมเพื่อลดอุณหภูมิของวัสดุที่อุณหภูมิสูงในบริเวณทางออก และใช้ระบบลำเลียงผงแบบนิวแมติกในการขนถ่ายและป้อนวัสดุออกนอกเตา เตาเผาแบบนี้สามารถผลิตได้อย่างต่อเนื่อง การสูญเสียความร้อนของตัวเตาเผาสามารถละเลยได้ ดังนั้นประสิทธิภาพความร้อนจึงดีขึ้นอย่างมาก มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านผลผลิตและการใช้พลังงาน และสามารถใช้งานแบบอัตโนมัติได้อย่างเต็มที่ ปัญหาหลักที่ต้องแก้ไข ได้แก่ การไหลของผง ความสม่ำเสมอของระดับการกราไฟต์ ความปลอดภัย การตรวจสอบอุณหภูมิ และการระบายความร้อน เป็นต้น เชื่อว่าหากพัฒนาเตาเผาให้สามารถผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้สำเร็จ จะก่อให้เกิดการปฏิวัติในวงการกราไฟต์สำหรับขั้วลบอย่างแน่นอน

3 ภาษาของปม

กระบวนการผลิตกราไฟต์ทางเคมีเป็นปัญหาใหญ่ที่สุดที่รบกวนผู้ผลิตวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม สาเหตุหลักมาจากยังมีปัญหาอยู่บ้างในด้านการใช้พลังงาน ต้นทุน การรักษาสิ่งแวดล้อม ระดับการทำงานอัตโนมัติ ความปลอดภัย และด้านอื่นๆ ของเตาเผากราไฟต์แบบเป็นช่วงที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แนวโน้มในอนาคตของอุตสาหกรรมมุ่งไปสู่การพัฒนาโครงสร้างเตาเผาแบบต่อเนื่องที่มีการปล่อยมลพิษแบบอัตโนมัติและเป็นระบบ พร้อมด้วยสิ่งอำนวยความสะดวกในกระบวนการเสริมที่ครบวงจรและเชื่อถือได้ ในเวลานั้น ปัญหาการกราไฟต์ที่รบกวนองค์กรต่างๆ จะได้รับการแก้ไขอย่างมีนัยสำคัญ และอุตสาหกรรมจะเข้าสู่ช่วงการพัฒนาที่มั่นคง ซึ่งจะช่วยกระตุ้นการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานใหม่