面向需求的球形阳极石墨生产解决方案

by Andreas Henßen

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能源转型不仅需要增加可再生能源的利用，而且特别需要发展储存能力，以便能够有效地储存可持续生产的电能并使其再次可用。

特别是在移动领域，基于锂离子电池的电池存储系统正被用于此目的。几乎所有的大型汽车制造商都已经决定并传达了他们中期逐步淘汰内燃机的计划。预计电池产量将在几年内大幅增加，以实现这些雄心勃勃的目标。

与此同时，欧洲和北美的生产商和国家不希望完全依赖亚洲供应商。目前，仅在欧洲，就有30多家用于生产汽车行业电池的“超级工厂”正在建设中或处于规划阶段。

就体积而言，石墨在锂离子电池的所有原材料中占最大份额。作为电池阳极石墨，可以使用天然原料（所谓的“片状石墨”）或合成原料（通常由石油焦生产）

根据预期用途，电池和汽车制造商对电池阳极石墨有非常具体的要求。例如，石墨颗粒必须尽可能呈圆形（球形），并且存在于窄的粒径范围内，以实现高能量密度和短充电时间。各种材料的颗粒形状和粒径的有效适应一直是NEUMAN&ESSER的研究领域。自1931年NEUMAN&ESSER建造第一座研磨厂以来，石墨和焦炭一直是主要应用之一。随着欧洲和北美制造商在当地生产阳极石墨的部分政府支持和新兴努力，因此，NEUMAN&ESSER开发高效生产球形阳极石墨的解决方案是显而易见的。

阳极石墨的质量要求

使用各种质量标准来评估电池阳极石墨的适用性。这些主要涉及粒径、分布和形状。

粒度和分布要求

粒度分布用于表征粒度。借助这种分布，可以描述样品的哪个体积或质量分数由小于一定尺寸的颗粒组成。阳极石墨的典型质量相关特征值是d10、d50和d90，它们表示总颗粒体积中最细的10%、50%和90%的最大粒径

阳极石墨的两种细度等级被广泛使用，通常以d50值为特征。对于较粗的典型细度，所需的d50为15-20µm，而对于较细的细度，其d50为8-12µm。

虽然合成石墨和天然石墨的平均粒径要求相似，但要求在允许的分布宽度上有所不同，即d90与d10值的最大允许比值

[Translate to 中國:] Typical particle size distribution of anode graphite based on natural graphite

[Translate to 中國:] Typical particle size distribution of anode graphite based on petroleum coke

颗粒形状要求

为了能够在具有高能量密度和快速充电周期的高性能电池中有效地使用石墨，除了粒度分布外，颗粒的圆度或所谓的球形度也是决定性的。在这里，天然“片状石墨”和石油焦（用于合成石墨）的原料差异很大。天然石墨由极其平坦、几乎二维的颗粒组成，而石油焦则具有更针状的空间形状。因此，对圆角或滚圆的要求也不同。通常，圆度是通过所谓的振实密度间接测量的，假设更圆的颗粒会产生更高的振实强度。

[Translate to 中國:] Tapped density measurement unit

测量振实密度时，将一定量的产品放入圆柱体中。将圆柱体推到具有规定行程数和高度的表面上。为此，有特殊的设备可以按照标准执行这些笔划。圆柱体中材料的体积和样品的重量给出了所谓的振实密度，单位为[g/ml]。

天然石墨和石油焦的要求在所需的振实密度方面也有所不同。虽然天然石墨必须四舍五入到高达>1g/ml的振实密度，但作为合成阳极石墨的原料，石油焦通常可以接受0.7-0.9 g/ml范围内的振实浓度。由于要求不同，生产这两种材料的最佳解决方案也不同

阳极石墨生产工艺要求

就体积而言，阳极石墨在所有电池原材料中所占比例最大。相应地，未来几年必须建立高产能。生产设备必须通过适当的尺寸满足这些生产能力

上述质量要求的结合意味着有必要去除起始材料中不需要的部分，即超细颗粒，这可能会在后续生产步骤和电池中产生性能降低的效果。该生产部分不能用作阳极石墨，因此降低了整个工艺的产量。在工业规模上，在生产过程中生产尽可能少的超细颗粒，从而保持尽可能高的工艺总收率，这一点尤为重要。

还需要高的总产量以及有效的过程控制，以便能够实现生产阳极石墨的最低可能比能量要求。这使得在电池原材料的生产阶段就可以果断地减少电池的二氧化碳足迹

NEA |球体解决方案

球形阳极石墨的传统制造工艺由20-30个冲击分级机的串联组成，其中研磨、分级和倒圆过程同时进行，以实现所需的粒径和分布以及所需的形状。因此，质量标准不能单独处理和调整。NEUMAN&ESSER开发了NEA|Sphere解决方案，以提高效率，降低工艺复杂性，并实现高生产能力。决定性因素是，所需的流程可以尽可能独立地进行。

因此，该过程被分为研磨过程、分级过程和倒圆过程。为了实现最佳的单个过程控制，NEA|Sphere系列的三个基本单元是在现有产品和技术的基础上开发的

NEA |球体M：高效研磨

为了生产粒径分布陡峭的细颗粒，即所谓的“超细颗粒”比例低，NEA|Sphere M配备了高强度研磨工具和高效的集成分类器模块。在该磨机上将材料研磨至所需的细度，但可以避免过度研磨

NEA|Sphere S：受控球化和高产

NEA|Sphere S具有专门为球化目的设计的工具和高效的集成分类模块，可以在一步中完成粒子的完全圆化。这允许显著提高舍入过程的产量

NEA |球体C：目标分馏

对于粒径比方面的特殊挑战，例如特别窄的d90/d10比，NEUMAN&ESSER在经过验证的GRC导向环分级机的基础上开发了NEA|Sphere C分级机。该装置还可以有效地分馏片状产品。这进一步提高了该工艺的整体产量

适应原材料

由于天然石墨的行为与石油焦和合成石墨不同，NEUMAN&ESSER开发了上述每种骨料的两种变体。它们分别用“n”表示天然石墨，用“s”表示合成石墨及其起始材料

将个性化解决方案组合成客户特定的流程解决方案

考虑到所需的质量标准、原材料以及必要的生产能力，NEUMAN&ESSER通过智能地组合上述NEA|Sphere聚合M、S和C，创建了一个单独的NEA|Sphere客户概念。