Com o rápido desenvolvimento de veículos de novas energias em todo o mundo, a demanda de mercado por materiais de ânodo para baterias de lítio aumentou significativamente. Segundo estatísticas, em 2021, as oito maiores empresas do setor de ânodos para baterias de lítio planejavam expandir sua capacidade de produção para quase um milhão de toneladas. A grafitização tem o maior impacto no índice e no custo dos materiais de ânodo. Os equipamentos de grafitização na China apresentam diversos tipos, alto consumo de energia, alta poluição e baixo grau de automação, o que limita, em certa medida, o desenvolvimento de materiais de ânodo de grafite. Este é o principal problema a ser resolvido com urgência no processo de produção de materiais de ânodo.
1. Situação atual e comparação do forno de grafitização negativa
1.1 Forno de grafitização negativa de Atchison
No forno modificado baseado no forno de grafitização tradicional de Aitcheson com eletrodo, o forno original é carregado com um cadinho de grafite como suporte para o material do eletrodo negativo (o cadinho é preenchido com matéria-prima carbonizada para o eletrodo negativo), o núcleo do forno é preenchido com material de resistência ao aquecimento, a camada externa é preenchida com material isolante e o isolamento da parede do forno. Após a eletrificação, uma alta temperatura de 2800 a 3000 °C é gerada principalmente pelo aquecimento do material de resistência, e o material negativo no cadinho é aquecido indiretamente para realizar a impregnação de pedra em alta temperatura do material negativo.
1.2. Forno de grafitização em série com aquecimento interno
O modelo do forno é uma referência ao forno de grafitização em série usado para a produção de eletrodos de grafite, no qual vários cadinhos de eletrodo (carregados com o material do eletrodo negativo) são conectados longitudinalmente em série. O cadinho do eletrodo funciona tanto como suporte quanto como elemento de aquecimento, e a corrente elétrica que passa por ele gera alta temperatura, aquecendo diretamente o material do eletrodo negativo interno. O processo de grafitização não utiliza material resistivo, simplificando as operações de carregamento e aquecimento, além de reduzir a perda de calor armazenada no material resistivo e, consequentemente, economizar energia.
1.3 Forno de grafitização tipo caixa de grade
A aplicação número 1 tem aumentado nos últimos anos, principalmente devido ao aprendizado sobre o forno de grafitização da Série Acheson e suas características tecnológicas concatenadas. O núcleo do forno utiliza uma estrutura de caixa de material com múltiplas placas anódicas em forma de grade, onde o material é inserido no cátodo como matéria-prima. As placas anódicas são fixadas através de conexões ranhuradas entre as colunas, e cada recipiente é selado com o mesmo material. A estrutura da caixa de material, composta por colunas e placas anódicas, constitui o corpo de aquecimento. A eletricidade flui através do eletrodo da cabeça do forno para o corpo de aquecimento do núcleo, e a alta temperatura gerada aquece diretamente o material anódico na caixa, atingindo o objetivo de grafitização.
1.4 Comparação de três tipos de fornos de grafitização
O forno de grafitização em série com aquecimento interno aquece o material diretamente através do aquecimento do eletrodo de grafite oco. O calor Joule produzido pela corrente elétrica que passa pelo cadinho do eletrodo é utilizado principalmente para aquecer o material e o próprio cadinho. A velocidade de aquecimento é alta, a distribuição de temperatura é uniforme e a eficiência térmica é superior à do forno Atchison tradicional com aquecimento por resistência. O forno de grafitização com caixa de grade aproveita as vantagens do forno de grafitização em série com aquecimento interno e adota a placa de ânodo pré-cozida, de menor custo, como corpo de aquecimento. Comparado ao forno de grafitização em série, o forno de grafitização com caixa de grade possui maior capacidade de carga e, consequentemente, menor consumo de energia por unidade produzida.
2. Direção de desenvolvimento do forno de grafitização negativa
2.1 Otimizar a estrutura do muro perimetral
Atualmente, a camada de isolamento térmico de vários fornos de grafitização é preenchida principalmente com negro de fumo e coque de petróleo. Durante a produção, esse material isolante sofre queima por oxidação em alta temperatura, sendo necessário substituí-lo ou adicionar um material isolante especial a cada ciclo de carregamento. Essa substituição é um processo ambientalmente insalubre e que exige muita mão de obra.
Uma alternativa é utilizar argamassa de cimento especial de alta resistência e alta temperatura, chamada adobe, para aumentar a resistência geral, garantir a estabilidade da parede em relação à deformação durante todo o ciclo de operação, selar as juntas dos tijolos e, ao mesmo tempo, impedir a entrada excessiva de ar no forno através de rachaduras e frestas na parede de tijolos, reduzindo a perda por oxidação e queima do material isolante e do ânodo;
A segunda etapa consiste na instalação de uma camada isolante móvel externa ao forno, utilizando materiais como placas de fibra de alta resistência ou placas de silicato de cálcio. Essa camada proporciona vedação e isolamento eficazes durante a fase de aquecimento, e pode ser facilmente removida para resfriamento rápido durante a fase de resfriamento. Em terceiro lugar, são instalados canais de ventilação na base e nas paredes do forno. Esses canais utilizam uma estrutura pré-fabricada de tijolos treliçados com aberturas para a correia, suportada por alvenaria de cimento resistente a altas temperaturas, e consideram a ventilação forçada para resfriamento durante a fase de resfriamento.
2.2 Otimizar a curva de alimentação de energia por meio de simulação numérica
Atualmente, a curva de alimentação de energia do forno de grafitização com eletrodo negativo é definida com base na experiência, e o processo de grafitização é ajustado manualmente a qualquer momento, de acordo com a temperatura e as condições do forno, não havendo um padrão unificado. A otimização da curva de aquecimento pode reduzir significativamente o índice de consumo de energia e garantir a operação segura do forno. O MODELO NUMÉRICO do alinhamento da agulha DEVE ser ESTABELECIDO por meios científicos, considerando diversas condições de contorno e parâmetros físicos, e a relação entre corrente, tensão, potência total e a distribuição de temperatura na seção transversal durante o processo de grafitização deve ser analisada, a fim de formular a curva de aquecimento adequada e ajustá-la continuamente durante a operação real. Por exemplo, no estágio inicial da transmissão de energia, utiliza-se alta potência, reduzindo-a rapidamente em seguida e aumentando-a gradualmente até o final do processo.
2.3 Prolongar a vida útil do cadinho e do corpo de aquecimento
Além do consumo de energia, a vida útil do cadinho e do aquecedor também determina diretamente o custo da grafitização negativa. Para o cadinho e o corpo de aquecimento de grafite, o sistema de gestão da produção, incluindo o carregamento, o controle adequado das taxas de aquecimento e resfriamento, a linha de produção automática de cadinhos e a vedação reforçada para evitar a oxidação são algumas das medidas necessárias para aumentar o número de ciclos de reciclagem do cadinho, reduzindo efetivamente o custo da grafitização. Além das medidas acima, a placa de aquecimento do forno de grafitização tipo caixa de grade também pode ser utilizada como material de aquecimento para ânodos pré-cozidos, eletrodos ou materiais carbonáceos fixos com alta resistividade, reduzindo assim o custo da grafitização.
2.4 Controle de gases de combustão e aproveitamento do calor residual
Os gases de combustão gerados durante a grafitização provêm principalmente de voláteis e produtos da combustão de materiais anódicos, queima de carbono superficial, vazamento de ar, entre outros. No início da operação do forno, uma grande quantidade de voláteis e poeira escapa, o ambiente da oficina é inadequado e a maioria das empresas não possui medidas eficazes de tratamento. Este é o maior problema que afeta a saúde e a segurança ocupacional dos operadores na produção de eletrodos negativos. É necessário um esforço maior para considerar de forma abrangente a coleta e o gerenciamento eficazes de gases de combustão e poeira na oficina, e medidas de ventilação adequadas devem ser tomadas para reduzir a temperatura da oficina e melhorar o ambiente de trabalho na oficina de grafitização.
Após a coleta dos gases de combustão através da chaminé e sua entrada na câmara de combustão para mistura, onde a maior parte do alcatrão e da poeira são removidos, espera-se que a temperatura dos gases na câmara de combustão seja superior a 800 °C. O calor residual dos gases de combustão pode então ser recuperado através de uma caldeira de vapor de recuperação de calor ou um trocador de calor de casco. A tecnologia de incineração RTO utilizada no tratamento da fumaça de asfalto também pode servir de referência, onde os gases de combustão do asfalto são aquecidos a 850-900 °C. Através da combustão com armazenamento de calor, o asfalto, os componentes voláteis e outros hidrocarbonetos aromáticos policíclicos presentes nos gases de combustão são oxidados e finalmente decompostos em CO₂ e H₂O, com uma eficiência de purificação superior a 99%. O sistema apresenta operação estável e alta taxa de operação.
2.5 Forno vertical contínuo de grafitização negativa
Os diversos tipos de fornos de grafitização mencionados acima são as principais estruturas de fornos para a produção de material anódico na China. O ponto em comum é a produção intermitente periódica, a baixa eficiência térmica e o carregamento que depende principalmente da operação manual, com baixo grau de automação. Um forno de grafitização negativo vertical contínuo similar pode ser desenvolvido com base nos modelos de fornos de calcinação de coque de petróleo e fornos de cuba de calcinação de bauxita. O arco de resistência é usado como fonte de calor de alta temperatura, o material é descarregado continuamente por gravidade e o material em alta temperatura na área de saída é resfriado por água convencional ou por gaseificação. Um sistema de transporte pneumático de pó é usado para descarregar e alimentar o material para fora do forno. O tipo de forno permite a produção contínua, a perda de armazenamento de calor do corpo do forno pode ser ignorada, de modo que a eficiência térmica é significativamente melhorada, as vantagens de produção e consumo de energia são óbvias e a operação totalmente automática pode ser totalmente alcançada. Os principais problemas a serem resolvidos são a fluidez do pó, a uniformidade do grau de grafitização, a segurança, o monitoramento da temperatura e o resfriamento, etc. Acredita-se que, com o desenvolvimento bem-sucedido do forno para produção industrial em escala, ocorrerá uma revolução no campo da grafitização por eletrodo negativo.
3. A linguagem dos nós
O processo químico da grafite é o maior problema enfrentado pelos fabricantes de materiais anódicos para baterias de lítio. A principal razão reside nos problemas ainda existentes em relação ao consumo de energia, custo, proteção ambiental, grau de automação, segurança e outros aspectos dos fornos de grafitização periódica amplamente utilizados. A tendência futura do setor aponta para o desenvolvimento de estruturas de fornos de produção contínua com emissão totalmente automatizadas e organizadas, e para o suporte de instalações auxiliares de processo maduras e confiáveis. Nesse cenário, os problemas de grafitização que afligem as empresas serão significativamente resolvidos, e o setor entrará em um período de desenvolvimento estável, impulsionando o rápido crescimento das indústrias relacionadas a novas energias.
Data da publicação: 19 de agosto de 2022