石墨是我國優(yōu)勢(shì)礦種之一，亦是重要的戰(zhàn)略礦物資源，利用新技術(shù)精細(xì)加工的天然石墨新材料在電子、化工、輕工、軍工、國防、航天等多種領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用。據(jù)悉，天然石墨市場(chǎng)現(xiàn)-195主流報(bào)3200-3700元/噸。球化石墨主流報(bào)14000-21000元/噸。從天然到球化，石墨是如何實(shí)現(xiàn)“身價(jià)倍增”的？
石墨根據(jù)其結(jié)晶不同，分為晶質(zhì)石墨(鱗片)和隱晶質(zhì)石墨(土狀)兩類?！肚蚧烊皇罚?/span>JC/T 2315-2016）標(biāo)準(zhǔn)適用于以天然鱗片石墨為原料，采用機(jī)械物理方法處理成的球形或類球形的石墨產(chǎn)品，并指出球化天然石墨的理化性能應(yīng)符合以下規(guī)定：
表1 球化天然石墨分級(jí)
表2 球化天然石墨型號(hào)
球化天然石墨的理化性能要求
球化石墨，前景廣闊
一方面，隨著地球上石油能源日益減少，人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，以清潔環(huán)保的電動(dòng)汽車不斷替代污染嚴(yán)重的汽柴油汽車將成為大勢(shì)所趨。而電動(dòng)車與電力存儲(chǔ)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)意味著鋰電池需求上升。按照國家提出的目標(biāo)，2020年我國電動(dòng)汽車可達(dá)400萬輛，按每輛汽車配備3塊電池，每塊混合動(dòng)力轎車電池負(fù)極材料20公斤計(jì)算，將帶動(dòng)24萬噸負(fù)極材料的生產(chǎn)規(guī)模。
中國動(dòng)力電池產(chǎn)能與需求對(duì)比
電池負(fù)極材料需求預(yù)測(cè)
2009-2014年我國球化石墨進(jìn)口量
另一方面，石墨作為燃料電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器等新型高效能源器件生產(chǎn)的輔助原料，具有廣闊的市場(chǎng)前景。上世紀(jì)末，天然石墨首先在日本用于鋰離子電池的負(fù)極材料來替代價(jià)格昂貴的人造石墨，本世紀(jì)初，我國也成功的應(yīng)用天然鱗片石墨原料開發(fā)以適應(yīng)鋰離子電池生產(chǎn)的負(fù)極材料，即球形石墨的改性產(chǎn)品，從此，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。
球形石墨材料具有良好的導(dǎo)電性，結(jié)晶度高，成本低，理論嵌鋰容量高，充放電電位低且平坦，循環(huán)壽命長(zhǎng)，綠色環(huán)保等特點(diǎn)，作為鋰離子電池負(fù)極材料重要部分，是國內(nèi)外鋰離子電池生產(chǎn)用負(fù)極材料的換代產(chǎn)品。
球形石墨生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展
球形石墨是以優(yōu)質(zhì)高碳天然鱗片石墨為原料、采用先進(jìn)加工工藝對(duì)石墨表面進(jìn)行改性處理，生產(chǎn)的不同細(xì)度，形似橢圓球形的石墨產(chǎn)品。
球形石墨加工機(jī)理：首先把天然鱗片石墨粉粉碎成適宜的粒度，然后再進(jìn)行去棱角化的加工處理，使之最終形成橢球形或類球形的外形，同時(shí)利用分級(jí)裝置將球形顆粒與去棱角化過程中剝離下來的細(xì)粉分離開來，便可得到正態(tài)分布的球形石墨。
鱗片石墨微粉球形化工藝
首先，對(duì)于石墨原料的選擇。
一方面，原料的粒度要合適。太粗成本較高；太細(xì)影響球形石墨產(chǎn)出率，輔產(chǎn)品太多，也會(huì)增加原料成本。研究表明，采用-100目粒度的原料來生產(chǎn)球形石墨比較合適。
另一方面，含碳量也是一個(gè)非常值得重視的因素。含碳量越高，其原料成本也就越高，含碳量越低，提純遍數(shù)增加，也會(huì)加劇設(shè)備的磨損，總成本也會(huì)增大。經(jīng)實(shí)踐積累，含95%~96%的原料，綜合成本最經(jīng)濟(jì)。
其次，關(guān)于球形石墨加工設(shè)備的選擇。
（1）球形工藝中使用比較多的是氣流渦旋粉碎機(jī)，其既具有粉碎的性能又具有去棱角化的效果。此外，分級(jí)設(shè)備的好壞會(huì)直接影響到球形化石墨的產(chǎn)出率和球形石墨的技術(shù)指標(biāo)控制，所以選擇時(shí)要加以重視。
（2）用于鋰離子電池的石墨負(fù)極材料，其純度要求往往在99.95%以上，因此，提純工藝在整個(gè)生產(chǎn)過程中必不可少且至關(guān)重要。目前，高純球形石墨的生產(chǎn)一般采用化學(xué)提純方法生產(chǎn)，所用化工原料都是強(qiáng)酸類物質(zhì)，故提純?cè)O(shè)備必須是耐酸耐腐蝕設(shè)備。同時(shí)，由于化學(xué)提純都是在一定的溫度下完成的，所以設(shè)備還同時(shí)具備一定的耐高溫性能。
（3）化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，球形石墨中的雜質(zhì)都被溶解于反應(yīng)溶液中，只有通過洗滌才能將雜質(zhì)帶走。工藝上采用的洗滌設(shè)備主要有壓濾機(jī)和離心機(jī)兩種。壓濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是回收率高，跑料少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全易操作，缺點(diǎn)是洗滌效果相對(duì)較差，有死角洗不到。而離心機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是洗滌較充分，效果好，但缺點(diǎn)也較多，如跑料多，浪費(fèi)大，出料時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全易性不如壓濾機(jī)，同時(shí)比較浪費(fèi)水。將二者結(jié)合使用效果好。
（4）把提純洗滌合格后的球形石墨烘干去水分，將水分控制在0.5%以下。在烘干過程中，最容易出現(xiàn)的問題是二次污染，即球形石墨烘干后出現(xiàn)因混入雜質(zhì)而成為不合格品，主要表現(xiàn)為含碳量和微量元素的指標(biāo)不合格。采用較多的烘干設(shè)備有烘干窯，微波烘干機(jī)和烘干爐等。
小結(jié)
雖然球形石墨應(yīng)用在鋰離子電池中還存在一些問題，如安全問題、循環(huán)問題及大電流快充快放電等，但是國內(nèi)的研究在進(jìn)一步的提高。如浙江豐利“鋰電池負(fù)極材料石墨球形化成套裝備及技術(shù)的開發(fā)”項(xiàng)目被列入浙江省重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)計(jì)劃。其生產(chǎn)線加工后的產(chǎn)品結(jié)晶配向良好，圓形度高，質(zhì)量穩(wěn)定;生產(chǎn)線采用全自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便，大大降低了能耗，提高了生產(chǎn)效率。隨著環(huán)保理念的增強(qiáng)，未來人們對(duì)球形石墨的需求將會(huì)成倍甚至成百倍的增長(zhǎng)。鋰離子電池負(fù)極材料用球形石墨會(huì)為天然石墨在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用開辟廣闊的前景。