CN114735692B - 石墨块、石墨构件及其抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了石墨块、石墨构件及其抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法，涉及炭材料技术领域。该石墨块呈条形，石墨块的截面为三角型或梯形；该石墨构件由至少一组石墨组组成；石墨组由至少一个石墨块连续设置，位于同一组的石墨块的截面重合，相邻两组石墨组的长度方向平行设置；该方法包括：负极石墨化箱式炉内设箱体；两个石墨构件设置于负极石墨化箱式炉内，并分别呈对称设置于箱体的两外侧。由该石墨块组成的石墨构件在负极石墨化箱式炉装炉时安装在箱式炉两端均流缓冲区，通过楔形结构斜面导料作用，吸收及抑制石墨化过程中箱体的轴向膨胀位移，能够明显改善箱体膨胀对炉头的作用力，增加炉头耐用寿命及降低喷炉风险。

Description

石墨块、石墨构件及其抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法

技术领域

本申请涉及炭材料技术领域，具体而言，涉及石墨块、石墨构件及其抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法。

背景技术

人造石墨负极材料是现在阶段锂离子电池的负极材料中的主流材料，随着近年来新能源汽车及储能项目的迅猛发展，其市场需求量也大幅提升。2021-2022年，国内上马了约500wt的石墨化负极产能，整个市场对后续的锂离子电池需求增长及现阶段人造石墨负极的技术及成本优势(暂未出现能替代人造石墨负极且生产成本更低的量产技术)相当乐观。

人造石墨负极材料，是以石油焦或沥青焦为原料(生焦或煅后焦)，经过破碎、造粒、碳化、石墨化、筛选等工序处理后获得的成品。

现状技术下，人造石墨负极材料用于石墨化的炉型主要包括艾奇逊坩埚炉、箱式炉及连续石墨化炉。其中，连续石墨化炉由于技术不成熟还未在市场上大量推广；坩埚炉具有石墨化温度高，产品石墨化度高的技术性能优势，一般用于3C产品的锂离子电池；箱式炉相比其它两种，具有电耗低、产量大的优势，但产品最终温度略低于坩埚炉，产品品质相比坩埚炉有所欠缺，一般用于动力电极及储能产品上。基于箱式炉的优缺点，在建及拟建石墨化负极产能上，箱式炉占比50-70％。

相对于传统坩埚炉，箱式炉在炉芯结构上有着完全不一样的设计，其箱体由石墨板或炭板拼装而成，箱内装填负极碳化粉。在石墨化送电升温过程中，随着温度的升高，箱体石墨板及炭板会发生热膨胀，炭板首次使用时还会发生气胀，同时箱体内的原料也因气体排除而导致内压升高。在以上这些作用下，整个箱体在轴向、水平及垂直方向上都会发生膨胀位移。此过程中，若膨胀带来的压力超出炉体结构强度即会发生炉体变形甚至崩塌，及附加发生的炉头缝隙引发空气进入，造成严重后果。其中以轴向膨胀在累计效应下最为剧烈：送电末期的膨胀能达到箱体长度的0.5-1.5％，此部分膨胀位移带来的压力通过端部引流缓冲区域的电阻料传递到炉头及炉尾上，极易导致炉头变形及因变形缝隙进入空气引发的内部高温炭材料剧烈氧化而喷炉。

喷炉和炉头墙挤压变形是目前行业内多家箱式炉面临的问题，研究后各家也采取了一些措施，主要集中在送电和箱体拼装方面，也取得一些成效，但相应地也带来了负面代价。比如延长送电曲线将带来单耗升高及产能降低，箱板拼装预留膨胀缝操作难度大且无法规避箱体内粉料的膨胀问题，炉头墙加固投入大且会导致炉内内应力大而导致箱板变形等。

因此，目前炉头墙变形和喷炉仍无法完全杜绝，时有发生。

发明内容

本申请的第一目的在于提供一种石墨块，该石墨块结构简单，容易制造。

本申请的第二目的在于提供一种石墨构件，该石墨构件由石墨块组成，能够通过自身楔形结构斜面导料作用，吸收及抑制石墨化过程中箱体的轴向膨胀位移，改善箱体膨胀对炉头的作用力，增加炉头耐用寿命及降低喷炉风险。

本申请的第三目的在于提供一种用石墨构件抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法，该方法操作简单，仅需通过将该石墨块在负极石墨化箱式炉装炉时安装在箱式炉两端均流缓冲区，就能够利用石墨块的楔形结构斜面导料作用，吸收及抑制石墨化过程中箱体的轴向膨胀位移，改善箱体膨胀对炉头的作用力，增加炉头耐用寿命及降低喷炉风险。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种石墨块，石墨块呈条形；将垂直于石墨块的长度方向设置为第一预设方向，石墨块沿第一预设方向的截面呈三角形或梯形；三角形为直角三角形或等腰三角形；梯形为直角梯形或等腰梯形。

第二方面，本申请实施例提供一种石墨构件，石墨构件由至少一组石墨组组成；石墨组由至少一个石墨块沿长度方向连续设置，位于同一组的石墨块沿第一预设方向的截面重合；相邻两组石墨组的长度方向平行设置，将相邻两组石墨组的排列方向设置为第二预设方向，第二预设方向同时垂直于长度方向和第一预设方向。

第三方面，本申请实施例提供一种用上述石墨构件抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法，包括：负极石墨化箱式炉内设箱体；两个石墨构件设置于负极石墨化箱式炉内，并分别呈对称设置于箱体沿自身长度方向的两外侧；石墨块的底面位于箱体的底部所在面；长度方向与负极石墨化箱式炉的宽度方向平行；第一预设方向与负极石墨化箱式炉的高度方向平行；第二预设方向与负极石墨化箱式炉的长度方向平行。

在本申请的一些实施例中，当截面为等腰三角形或等腰梯形时，等腰三角形的顶部锐角≥10°；等腰梯形的底部锐角≤85°。

在本申请的一些实施例中，当截面为直角三角形或直角梯形时，直角三角形的顶部锐角≥5°；直角梯形的锐角≤85°。

在本申请的一些实施例中，石墨构件沿第二预设方向的总长度≤(负极石墨化箱式炉的炉内长-箱体的箱体长*102％)/2-100mm。

在本申请的一些实施例中，当石墨构件具有两面与底面垂直的垂直面，且垂直面靠近箱体的端板或炉头墙的内壁安装时，沿第二预设方向，两面垂直面之间的间距为50-100mm。

在本申请的一些实施例中，当石墨构件具有两面与底面垂直的垂直面，且垂直面远离端板或内壁安装时，沿第二预设方向，两面垂直面可贴设。

在本申请的一些实施例中，石墨构件被导电缓冲料包围和填充。

在本申请的一些实施例中，导电缓冲料采用粒径为1-4mm的石墨碎材料。

相对于现有技术，本申请的实施例至少具有如下优点或有益效果：

(1)本发明设计了一种石墨块及由石墨块组成的石墨构件，通过将石墨构件安装在箱式炉的两个炉头导流缓冲区域，通过石墨构件的楔形截面设计，制造出斜面。

在箱体膨胀阶段，推动导电缓冲料位移，在石墨构件斜面的作用下，石墨构件推动斜面之间的导电缓冲料向上位移，从而释放应力，降低对炉头的压力，保护了炉头结构，改善炉头因受膨胀压力过大而变形甚至垮塌风险并据此大幅增加炉头墙寿命。

(2)此设计还具有自适应的功能，当度过膨胀阶段进入收缩阶段时，向上位移出去的导电缓冲料在重力作用下下落，被推移上行的端部导流料下行填充箱体收缩而扩展出的空间，进而维持良好的导电能力，实现轴向压力范围基本恒定，超上下限压力能被此结构设计通过导电缓冲料的上下位移充分吸收缓冲，进而充分保护炉头墙不受过大压力而变形，及大幅降低炉头变形引起的砌筑材料缝隙变化引发空气进入而发生的剧烈氧化喷炉风险。

综上，此设计通过结构特异性设计及对负极材料石墨化过程中的膨胀收缩过程中的轴向位移变化过程分析，针对性提出此斜面结构的楔形导料石墨构件结构设计，其能在保证石墨化过程中良好接触导电状态的前提下实现随着箱体膨胀收缩自适应通过导电缓冲料的上升下降流动来维持箱体端部压力及导电能力基本稳定的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1提供的安装有石墨构件的负极石墨化箱式炉的第一视角截面示意图；

图2为本申请实施例1提供的安装有石墨构件的负极石墨化箱式炉的第二视角截面示意图；

图3为本申请实施例2提供的石墨构件的第一视角截面示意图；

图4为本申请实施例2提供的石墨构件的第二视角结构示意图；

图5为本申请实施例3提供的石墨构件的第一视角截面示意图；

图6为本申请实施例3提供的石墨构件的第二视角结构示意图；

图7为本申请实施例4提供的石墨构件的第一视角截面示意图；

图8为本申请实施例4提供的石墨构件的第二视角结构示意图；

图9为本申请实施例5提供的石墨构件的第一视角截面示意图；

图10为本申请实施例5提供的石墨构件的第二视角结构示意图；

图标：10、20、30、40、50-石墨构件,11、21、31、41、51-石墨块，60-负极石墨化箱式炉,61-箱体,62-炉体,63-导电缓冲料。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

请参照图1和图2，本实施例提供了一种石墨块11，该石墨块11呈条形。将垂直于石墨块11的长度方向设置为第一预设方向，石墨块11沿第一预设方向的截面呈等腰梯形。在本实施例中，进一步地，等腰梯形的锐角≤85°，从而保证该石墨块11的斜面具有足够的斜率。

本实施例提供了一种石墨构件10，该石墨构件10由一组石墨组组成。石墨组由至少一个石墨块11沿长度方向连续设置，位于同一组的石墨块11沿第一预设方向的截面重合。

本实施例还提供了一种用上述石墨构件10抑制负极石墨化箱式炉60膨胀的方法，包括：负极石墨化箱式炉60内设箱体61；两个石墨构件10设置于负极石墨化箱式炉60内，并分别呈对称设置于箱体61沿自身长度方向的两外侧。石墨块11的底面位于箱体61的底部所在面。长度方向与负极石墨化箱式炉60的宽度方向平行，第一预设方向与负极石墨化箱式炉60的高度方向平行。在本实施例中，多块石墨块11之间填充有导电缓冲料63。在本实施例中，导电缓冲料63要求具有优异的导电及流动性能，且其接触电阻低、自身发热功率低、料间摩擦系数低，流动性好，优选地采用粒径为1-4mm的石墨碎材料。

在本实施例中，石墨构件10沿箱体61长度方向的总长度≤(负极石墨化箱式炉60的炉内长-箱体61的箱体61长*102％)/2-100mm，以便为炉体62的轴向膨胀预留足够空间。

石墨构件10应避开靠近不平整的导电内墙或端头板安装，以防止填充导电缓冲料63时在阴角处发生填料死角或填充不实。

本实施例提供的石墨构件10安装在负极石墨化箱式炉60上的工作原理：由于石墨构件10的截面为梯形，结构设计为斜面，用于导向膨胀阶段的导流料位移及作用力方向，降低轴向压力，在箱体61膨胀阶段，箱体61发生轴向膨胀，单侧膨胀位移＝箱体61长度*箱板轴向膨胀系数，膨胀过程在累计效应作用下载端板位置达到最大位移，且对应了最大膨胀应力，端板通过端部导流电阻料传递及均匀化应力，将压力传导到本实施例提供的石墨构件10的斜面上，在斜面分力的作用下，部分轴向压力被分流至垂直向上，实现通过均流缓冲料的垂向位移来缓冲轴向压力，实现应力释放及降低炉头墙压力的目的。

在收缩阶段，箱体61内粉料及箱体61本身发生体积收缩，此过程中，箱体61轴向尺寸有轻微回缩，在重力及本实施例提供的石墨构件10斜面的作用下，导电缓冲料整体向下位移，填充箱体61收缩的空间，实现持续保证接触面导电能力。

综上，本申请的实施例提供了石墨块11、石墨构件10及其抑制负极石墨化箱式炉60膨胀的方法，该石墨块11组成的石墨构件10在负极石墨化箱式炉装炉60时安装在箱式炉两端均流缓冲区，通过楔形结构斜面导料作用，吸收及抑制石墨化过程中箱体的轴向膨胀位移，能够明显改善箱体61膨胀对炉头的作用力，增加炉头耐用寿命及降低喷炉风险。

实施例2

本实施例未提及之处可参照实施例1。

请参照图3和图4，在本实施例中，石墨块21沿第一预设方向的截面呈直角梯形。在本实施例中，进一步地，直角梯形的锐角≤85°。

本实施例提供了一种石墨构件20，该石墨构件20由两组石墨组组成。石墨组由多个石墨块21沿长度方向连续设置，位于同一组的石墨块21沿第一预设方向的截面重合。相邻两组石墨组的长度方向平行设置，将相邻两组石墨组的排列方向设置为第二预设方向，第二预设方向同时垂直于长度方向和第一预设方向。

在本实施例中，石墨构件20具有两面与底面垂直的垂直面，且垂直面靠近箱体的端板或炉头墙的内壁安装，沿第二预设方向，两面垂直面之间的间距为50-100mm。

本实施例提供的石墨构件安装在负极石墨化箱式炉上的工作原理与实施例1相同。

实施例3

本实施例未提及之处可参照实施例1。

请参照图5和图6，在本实施例中，石墨块31沿第一预设方向的截面呈直角梯形。在本实施例中，进一步地，直角梯形的锐角≤85°。

本实施例提供了一种石墨构件30，该石墨构件30由两组石墨组组成。石墨组由多个石墨块31沿长度方向连续设置，位于同一组的石墨块31沿第一预设方向的截面重合。相邻两组石墨组的长度方向平行设置，将相邻两组石墨组的排列方向设置为第二预设方向，第二预设方向同时垂直于长度方向和第一预设方向。

在本实施例中，由于石墨构件30具有两面与底面垂直的垂直面，且垂直面远离箱体的端板或炉头墙的内壁安装，因此沿第二预设方向，两面垂直面贴设。垂直面应避开靠近不平整的导电内墙或端头板安装，以防止填充导电缓冲料时在阴角处发生填料死角或填充不实。

本实施例提供的石墨构件30安装在负极石墨化箱式炉上的工作原理与实施例1相同。

实施例4

本实施例未提及之处可参照实施例1。

请参照图7和图8，在本实施例中，石墨块41沿第一预设方向的截面呈直角梯形。在本实施例中，进一步地，直角梯形的锐角≤85°。

在本实施例中，石墨构件40具有一面与底面垂直的垂直面，且垂直面靠近箱体的端板安装。

本实施例提供的石墨构件40安装在负极石墨化箱式炉上的工作原理与实施例1相同。

实施例5

本实施例未提及之处可参照实施例1。

请参照图9和图10，在本实施例中，石墨块51沿第一预设方向的截面呈直角梯形。在本实施例中，进一步地，直角梯形的锐角≤85°。

在本实施例中，石墨构件50具有一面与底面垂直的垂直面，且垂直面远离箱体的端板安装。

本实施例提供的石墨构件50安装在负极石墨化箱式炉上的工作原理与实施例1相同。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用石墨构件抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法，其特征在于，包括：

所述负极石墨化箱式炉内设箱体；两个所述石墨构件设置于所述负极石墨化箱式炉内，并分别呈对称设置于所述箱体沿自身长度方向的两外侧；

将垂直于石墨块的长度方向设置为第一预设方向，所述石墨块沿所述第一预设方向的截面呈三角形或梯形；所述三角形为直角三角形或等腰三角形；所述梯形为直角梯形或等腰梯形；

所述石墨构件由至少一组石墨组组成；所述石墨组由至少一个所述石墨块沿所述长度方向连续设置，位于同一组的所述石墨块沿所述第一预设方向的截面重合；相邻两组所述石墨组的长度方向平行设置，将相邻两组所述石墨组的排列方向设置为第二预设方向，所述第二预设方向同时垂直于所述长度方向和所述第一预设方向；

所述石墨块的底面位于所述箱体的底部所在面；

所述长度方向与所述负极石墨化箱式炉的宽度方向平行；所述第一预设方向与所述负极石墨化箱式炉的高度方向平行；所述第二预设方向与所述负极石墨化箱式炉的长度方向平行；

所述石墨构件沿所述第二预设方向的总长度≤（所述负极石墨化箱式炉的炉内长-所述箱体的箱体长*102%）/2-100mm；

当所述石墨构件具有两面与所述底面垂直的垂直面，且所述垂直面靠近所述箱体的端板或炉头墙的内壁安装时，沿所述第二预设方向，两面所述垂直面之间的间距为50-100mm；

当所述石墨构件具有两面与所述底面垂直的垂直面，且所述垂直面远离所述端板或所述内壁安装时，沿所述第二预设方向，两面所述垂直面可贴设；

所述石墨构件被导电缓冲料包围和填充；所述导电缓冲料采用粒径为1-4mm的石墨碎材料。

2.根据权利要求1所述的用石墨构件抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法，其特征在于，当所述截面为等腰三角形或等腰梯形时，所述等腰三角形的顶部锐角≥10°；所述等腰梯形的底部锐角≤85°。

3.根据权利要求1所述的用石墨构件抑制负极石墨化箱式炉膨胀的方法，其特征在于，当所述截面为直角三角形或直角梯形时，所述直角三角形的顶部锐角≥5°；所述直角梯形的锐角≤85°。