什么是石墨化？影响石墨化的因素是什么

石墨化是非石墨质炭经高温热处理，充分利用电阻热把炭质材料加热到 2300~3000 ℃，转变成具有石墨三维规则有序结构的石墨质炭，使无定形乱层结构的炭转化成有序的石墨晶质结构的过程。

整个过程是石墨晶质结构转化，原子重排的能量来源于高温热处理，使用高温热处理对原子重排及结构转变提供能量，这一过程需要消耗大量能量，随着热处理温度的提高，石墨层间距逐渐变小，一般在0.343~0.346 nm之间，一般温度到2500 ℃时变化显著，到3000 ℃时变化逐渐缓慢，直至完成整个石墨化过程。

石墨化作用主要有3点：

提高炭材料的热、电传导性，电阻率降低4-5倍，导热性能提高10倍左右；

提高炭材料的抗热震性和化学稳定性(线膨胀系数降低50-80%)，使炭材料具有润滑性和抗磨性，提高炭材料纯度(产品灰分由0.5-0.8%降至0.3%左右)

提纯除杂。当石墨化温度提高到接近2200℃时，锂离子电池负极材料的杂质基本上已经被排除。

石墨化是人造石墨负极制备的核心工序，一定程度上决定了人造石墨产品品质和质量稳定性；部分天然石墨也会通过高温处理，进一步提升石墨化程度，从而提升能量密度。

石墨化的制造工艺

技术迭代路径：坩埚炉→厢式炉→连续炉，三种工艺方法各有优劣。

艾奇逊炉坩埚法是目前石墨化主流生产工艺。将负极材料均匀放入石墨坩埚内，再通过天车吊起平放入石墨化炉中，将电阻料放入炉芯处石墨坩埚外围，再包覆保温料，将炉体填满，即完成装炉。将炉体装满后，即进入电加热过程，通过石墨化炉两侧的电极进行通电加热，在炉内达到一定温度后加盖炉顶并设置集气罩，炉内温度将继续升至2800 - 3000 ℃，最终将坩埚内含碳物质在高温热处理下，实现减少无定型碳微晶结构边缘杂质，使其具备石墨晶体结构特征。通电加热结束后，将炉顶打开，静置冷却至材料恢复常温，即结束该生产过程。通常情况下，石墨化工序或提纯工序一个周期将达到15-22天。

厢式法大幅提高单炉量，降低能耗，头部负极企业逐步导入。石墨化工艺的关键环节之一是装炉，厢式炉工艺相较于坩埚法可以提高单炉装炉量。厢式炉工艺将整个炉芯空间分成若干个等容积腔室，负极材料直接放置于石墨板材所围成的厢体空间中，石墨板材具有导电性，厢体通电后自身发热，在作为负极材料容器的同时能够达到材料加热的目的。厢式炉工艺避免了负极材料重复装入、装出坩埚工作，且由于厢体自身材质及形状特点，厢体之间无需添加保温电阻料，仅需保留厢体四周与炉壁之间的保温材料，增大了炉内负极材料的有效容积及使用效率。

连续式石墨化具有成本、效率、环保等方面的优势，成为产业化探索新方向。连续式石墨化生产过程中没有断电，石墨原料经过一系列的温区从而实现连续石墨化。其原理是先将备好的粒度为1~30 mm的散状石油焦由上料装置送入进料斗，经过干燥、煅烧阶段，将产生的蒸汽和挥发分排出；而后进入高温区完成石墨化；最终进入炉底冷却器，冷却到200~300 ℃时，打开冷却器底部的闸板出料，自然冷却至室温。

影响石墨化的主要因素

影响石墨化的主要因素包括原料、温度、时间、压力和催化剂等。

1）原料：在高温下容易转化成石墨的无定形碳称为易石墨化炭（或称为可石墨化炭）。石油焦、针状焦等属于易石墨化炭。易石墨化炭在炭化制备过程中一般经历了溶融状态，其结构中碳分子簇团接近相互平行排列。

2）温度：不同的炭材料，开始石墨化转变温度不同。石油焦一般在1700℃就开始进入石墨化，而针状焦则要在2000℃左右才能进入石墨化的转化阶段。加热温度越高，电阻率越低、相邻晶层间距越接近理想石墨晶体的0.3354nm，石墨化程度越高。

3）时间：石墨化程度和高温下的停留时间也有一定的关系，石墨化温度越高，进入石墨化稳定状态需要的时间越短，保温时间越长，电阻率越低，石墨化程度就越高。

另外，加压对石墨化有明显的促进作用；催化剂在一定条件下的添加，可以促进石墨化的进行，如硼、铁、娃、钛、键、镁及其某些化合物等。