人造石墨负极材料生产工艺流程：从原料到成品的全流程解析

（转自：鑫椤资讯）

人造石墨负极材料作为锂离子电池的核心组件，其生产工艺直接影响电池的能量密度、循环寿命和安全性等关键性能指标。随着新能源汽车和储能市场的快速发展，人造石墨负极材料的产能和技术也在不断提升。本篇文章将系统梳理人造石墨负极材料的完整生产工艺流程，包括原料预处理、造粒、石墨化和成品处理等环节，并详细分析各环节使用的设备及原料配比对产品性能的影响。

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原料预处理阶段

人造石墨负极材料的主要原料包括石油焦、针状焦和沥青粘结剂等。石油焦和针状焦是碳源，沥青则是用于颗粒粘结和表面包覆的粘结剂。在原料预处理阶段，首先需要对这些原材料进行筛选、纯化和混合。

石油焦和针状焦的处理通常包括破碎和筛分工艺。破碎设备主要有颚式破碎机、锤式破碎机等，用于将原料块状物料破碎至一定粒径（一般为5-10mm）。筛分设备则包括振动筛和旋风分离器等，用于将破碎后的物料按粒径分级。根据行业标准，石油焦和针状焦的粒度分布直接影响后续造粒的质量，因此需精确控制。

混合工艺是原料预处理的核心环节，将不同比例的石油焦、针状焦与沥青粘结剂混合均匀。混合设备主要有双螺旋锥形混合机、高速搅拌机等，混合比例通常为焦炭:沥青=100:(5-20)，高端产品沥青比例可能更低（3-5%）。混合过程中需注意温度控制，避免沥青过早软化影响后续工艺。

在预处理阶段，原料的选择和配比对最终产品性能至关重要。根据鑫椤锂电2024年数据，石油焦占比约60%，针状焦占比约30-40%，煤沥青焦占比约10%。高端产品倾向于使用更高比例的针状焦，而中低端产品则更多使用石油焦以降低成本。

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造粒工艺阶段

造粒是人造石墨负极材料生产中最关键的工艺环节之一，主要包括一次造粒和二次造粒两个过程。造粒工艺直接影响负极材料的颗粒大小、分布和形貌，进而影响电池的倍率性能、循环寿命和压实密度等指标。

一次造粒主要是将预处理后的原料焦通过气流磨粉碎至5-10微米的细粉，然后通过简单混合形成初步颗粒。气流磨是这一阶段的核心设备，通过高速气流使物料相互碰撞、摩擦，实现超细粉碎。气流磨的工艺参数包括进料速度、气流压力和粉碎温度等，需精确控制以保证颗粒均匀性。

二次造粒则是将一次颗粒通过高温热解工艺粘结成较大颗粒（10-20mm）。这一过程主要在反应釜中进行，反应釜是二次造粒的核心设备。根据贝特瑞专利技术，反应釜通常在惰性气体氛围（如氮气）和一定压力（如2.5Kg）条件下，按照特定温度曲线进行加热处理。典型工艺参数为：200-300℃搅拌1-3小时，然后继续加热至400-500℃，搅拌得到粒径在10-20mm的物料。

反应釜的材质多为不锈钢（304/316L）、碳钢或搪玻璃，具有良好的耐腐蚀性和强度。搅拌系统通常采用变频调节转速（30-300rpm），桨式、涡轮式等搅拌形式，确保物料搅拌均匀。反应釜还需配备尾气处理系统，收集处理热解过程中产生的挥发气体。

球磨筛分工序是造粒工艺的延续，将反应釜中得到的10-20mm物料进一步磨制成6-10微米的细粉。球磨机是这一阶段的核心设备，通常在密闭环境中运行，避免粉尘污染。球磨后的物料需经过筛分，筛分设备包括振动筛和超声波振动筛等，筛分目数通常为200-270目。

贝特瑞在2025年申请的连续式造粒反应釜专利（CN218422619U）显示，其采用低温反应釜、高温反应釜和冷却釜串联的设计，内部配备双轴搅拌杆，联轴器连接搅拌电机，显著提高了对物料搅拌的均匀性，从而提升了负极材料混合的效果。

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预碳化处理阶段

预碳化是造粒后的关键处理步骤，用于固化造粒过程中使用的粘结剂沥青。预碳化设备主要是罐式碳化炉，加热源多为天然气，温度控制在1100℃左右。预碳化过程不仅能稳定颗粒结构，还能去除部分挥发分，提高材料的热稳定性。

预碳化处理通常在密闭环境中进行，物料在炉内通过加热使沥青流动并包覆在焦炭颗粒表面，随后冷却形成稳定的颗粒结构。预碳化处理的温度曲线和时间控制是关键工艺参数，不同企业可能采用不同的工艺参数以获得最佳效果。

预碳化处理后的物料需要进行冷却，冷却方式包括自然冷却和循环冷却塔冷却等。冷却过程中需控制降温速率，避免材料因快速冷却产生裂纹。根据尚太科技工艺，预碳化后的物料需在1000℃以内进行碳化处理，然后才能进行石墨化。

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石墨化处理阶段

石墨化是人造石墨负极材料生产中最关键、也是最耗能的工艺环节。石墨化过程是指将非石墨质炭材料在高温（2200-3000℃）下加热，使碳原子从无序排列转变为有序的石墨晶体结构的过程。这一过程显著提高了材料的导电性、导热性和化学稳定性。

石墨化设备主要有艾奇逊石墨化炉、内串石墨化炉、箱式石墨化炉和连续式石墨化炉等四种类型。其中，艾奇逊石墨化炉是目前应用最广泛的设备，其结构包括耐火材料炉体、导电电极（铜或石墨）、石墨坩埚（单炉容量10-100吨）、电阻料（冶金焦或混合焦）和保温层（碳化硅/硅藻土）等。

艾奇逊石墨化炉的工作原理是电流通过电阻料和炉芯产生焦耳热，将物料加热至2200-3000℃的高温。根据艾奇逊石墨化炉百科介绍，该炉生产电耗约为4000-4800kWh/t，生产周期约20-30天，其中送电时间约40-100小时。艾奇逊石墨化炉的优势在于温度控制稳定，产品均质性好，但能耗高、生产周期长。

内串石墨化炉是另一种常见的石墨化设备，其特点是产品加热直接通过电极本身，而不需要电阻材料发热。内串石墨化炉的电耗约为3300-4000kWh/t，低于艾奇逊炉，但温度控制难度较大，产品一致性可能不如艾奇逊炉。

箱式石墨化炉是近年来发展的新型设备，相比艾奇逊炉，其装炉量更大、吨耗更低，但物料均匀性略差，需要进一步优化装炉工艺。

连续式石墨化炉是未来的发展方向，根据坤天新能2024年12月发布的连续式石墨化炉工艺，其将石墨化的生产周期缩短至10-12天，人工减少50%以上，辅材耗用量减少50%，生产过程环境友好，碳排放量相比传统工艺减少75%。连续式石墨化炉的炉体为一竖直的长方体外壳，采用直流电，左右分布两根电极，物料通过电流加热煅烧，经过一系列温区（升温/保温/降温）实现连续生产。

石墨化过程的温度控制是关键，通常采用"快-慢-快"三阶段或"快-慢-慢-快"四阶段功率曲线，以适应物料在不同温度阶段的需求。在高温阶段（2500-3000℃），需保持一定时间（6-30小时）以确保石墨化度。石墨化度是衡量石墨化效果的重要指标，影响材料的导电性、膨胀系数和循环寿命等性能。

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包覆碳化阶段

包覆碳化是高端人造石墨负极材料生产中的关键环节，通常在石墨化后进行。包覆碳化的主要目的是在石墨材料表面形成一层保护层，减少与电解液的副反应，提高材料的循环稳定性和快充性能。

包覆碳化工艺主要使用反应釜和碳化炉等设备。根据贝特瑞专利技术，包覆碳化是在石墨化后的材料表面包覆一层高分子材料（如沥青或树脂），然后再进一步碳化使包覆材料转化为无定形碳材料。包覆材料的类型和比例对最终产品的性能有重要影响。

石油沥青是常用的包覆材料，成本低但高温下易挥发产生杂质；酚醛树脂等树脂材料则能提供更强的粘结性和更好的快充性能。根据贝特瑞SAG23负极材料的技术参数，其粘结剂LA-133沥青占比3%（固体成分），配合CMC和SBR等材料，形成完整的包覆体系。

包覆碳化后的材料需要经过冷却处理，冷却方式包括自然冷却和循环冷却塔冷却等。冷却过程中需控制降温速率，避免材料因快速冷却产生裂纹。

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成品处理阶段

成品处理阶段主要包括筛分、除磁、包装等工序。筛分是将石墨化后的物料按粒径分级，筛分设备主要是振动筛，如ZSG系列振动筛，筛分目数通常为270目（筛孔尺寸约53μm）。筛分后的物料需要经过除磁处理，去除其中的金属杂质，除磁设备主要是磁选机。

包装则是将处理后的成品装入吨袋或真空包装袋，便于运输和储存。包装设备包括自动打包计量装置等，确保包装精度和效率。

此外，成品处理阶段还包括质量检测，如粒度分布检测、比表面积检测、电阻率检测和膨胀率检测等，以确保产品质量符合要求。

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设备配置与工艺参数

人造石墨负极材料的生产需要多种专业设备的配合，各环节设备配置及工艺参数如下：

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原料配比对产品性能的影响

原料配比是人造石墨负极材料性能的关键决定因素，主要包括焦炭类型配比和粘结剂比例两个方面。

焦炭类型配比直接影响负极材料的容量、压实密度和膨胀率等性能。根据行业数据，高端人造石墨负极材料中针状焦占比通常为30-40%，石油焦占比为60-70%。针状焦具有低热膨胀系数、低硫、低灰分和低金属含量等优点，生产的负极材料化学稳定性好、容量高且导电性能良好。而石油焦成本较低，但膨胀率较高，适合中低端产品。

中低端产品可能采用纯石油焦或更高比例的石油焦（>70%）以降低成本。部分厂商（如紫宸、杉杉）已尝试使用煤系针状焦（占比约20-30%）作为补充，但煤系针状焦需高温氮气处理去除挥发分，工艺成本较高，且石墨化过程中易发生"气胀"产生气孔，影响最终产品性能。

粘结剂比例对负极材料的粘结强度和快充性能有重要影响。通用粘结剂比例为焦炭:沥青=100:(5-20)，高端产品沥青比例可能更低（3-5%）以减少对压实密度的负面影响。在贝特瑞SAG23负极材料中，粘结剂LA-133沥青占比3%（固体成分），配合CMC（1.5%）和SBR（2.5%）等材料，形成完整的包覆体系。

中科电气的快充负极材料则采用了不同的粘结策略，在石墨负极体系上进行二次造粒、包覆和掺硅等方式，提升材料的倍率性能。其专利技术显示，可能使用树脂与沥青混合，形成"高能量密度石墨内核+高快充无定形碳外壳"的结构，增加锂的扩散通道，提高传送速度。

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环保与自动化控制系统

人造石墨负极材料的生产过程中会产生多种污染物，如颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、沥青烟和苯并[a]芘等。因此，环保设备是生产流程中不可或缺的部分。

尾气处理系统主要包括脱硫塔、布袋除尘器、喷淋装置和活性炭过滤装置等。脱硫塔通常采用石灰反应系统，用于处理二氧化硫；布袋除尘器用于处理颗粒物；喷淋装置用于处理沥青烟等有害气体；活性炭过滤装置用于吸附残留污染物，确保排放符合环保标准。

自动化控制系统是现代负极材料生产线的重要组成部分，主要包括PLC（可编程逻辑控制器）和SCADA（监控与数据采集系统）等。这些系统用于实时监测和控制生产过程中的温度、压力、电流等关键参数，确保生产过程的稳定性和产品质量的一致性。

在石墨化炉控制中，自动化送电车是关键设备，用于实现电极连接与电流控制。通过智能控制系统，可实现远控、遥控或现控操作，大大提高了连接送电的自动化程度，降低人工成本。

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行业发展趋势与技术创新

人造石墨负极材料的生产工艺正朝着降本增效、环保节能和高性能化方向发展。石墨化环节作为高能耗环节，成为工艺创新的重点。艾奇逊石墨化炉虽然稳定可靠，但能耗高、生产周期长；内串石墨化炉热效率高，但温度控制难度大；箱式石墨化炉装炉量大，但物料均匀性略差；连续式石墨化炉则是未来的发展方向，具有能耗低、生产周期短和自动化程度高等优势。

随着国产针状焦技术的成熟，针状焦产能和质量不断提升，为人造石墨负极材料提供了更优质的原料。根据中商产业研究院数据，2022年中国油系针状焦产量达86万吨，同比增长7.5%；煤系针状焦产量达35万吨，同比增长25%。预计2023-2024年油系针状焦和煤系针状焦产量将分别达到106-126万吨和37-39万吨。

快充负极材料成为行业新的增长点。贝特瑞在2024年链博会上推出的T石墨负极产品，集6C快充与卓越高低温性能于一体，充电时间可大幅缩短至不足10分钟。在低温环境下，其放电性能比4C快充石墨提升25%；在高温环境下，其膨胀率更低，循环寿命更高。

中科电气的快充负极材料产品也表现出色，克容量≥355mAh/g，充电倍率≥3C，循环寿命≥4000周，支持800V高压平台车型实现"充电5分钟续航300公里"。

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结论与展望

人造石墨负极材料的生产工艺流程复杂且技术密集，从原料预处理、造粒、预碳化、石墨化到成品处理，每个环节都有其特定的设备和工艺参数。原料配比（焦炭类型和粘结剂比例）对最终产品性能有决定性影响，而石墨化工艺则是提升材料性能的核心环节。

随着新能源产业的快速发展，人造石墨负极材料的市场需求持续增长。2024年上半年全球负极材料产量达96.7万吨，中国产量占比高达98.4%。贝特瑞以超过21%的全球市占率继续领先，上海杉杉、中科星城和尚太科技紧随其后。

未来，人造石墨负极材料的生产工艺将朝着以下方向发展：

1. 石墨化工艺的创新，如连续式石墨化炉的推广，降低能耗和缩短生产周期

2. 原料配比的优化，如针状焦与石油焦的科学混合，平衡成本与性能

3. 新型包覆技术的研发，如树脂包覆技术，提升快充性能和循环寿命

4. 环保设备的升级，如高效除尘和脱硫系统，减少环境污染

参考文献

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[2] 贝特瑞. BTR锂离子电池专用SAG23负极材料

[3] 贝特瑞. 一种多孔微晶石墨负极材料及其制备方法与应用

[4] 贝特瑞. 改性树脂包覆的双掺杂微晶石墨负极材料及其制备方法及其应用

[5] 贝特瑞. 一种艾奇逊石墨化炉装置及其移动送电方法与流程

[6] 艾奇逊石墨化炉

[7] 坤天新能. 连续式石墨化炉工艺重大突破发布会

[8] 坤天新能. 连续式石墨化炉工艺量产落地

[9] 高风扬, 王利儒. 负极材料石墨化主流工艺及技术要点

[10] 乔永民, 徐卿卿, 吴仙斌等. 石墨化方式对锂离子电池人造石墨负极材料性能的影响.

[11] 吕博, 周春刚. 锂电池负极石墨化炉技术现状与发展方向

[12] 中科电气. 市场空间广阔，负极一体化优势兑现

[13] 中科电气. 高压快充负极材料在多家客户实现批量应用

[14] 鑫椤资讯. 2024年负极材料市场盘点

[15] 鑫椤资讯. 2024年H1锂电负极市场分析

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[17] 陈召, 胡成毅, 彭晗等. 一种连续式造粒反应釜

[18] 刘海丰, 何莹, 张大奎. 人造石墨用于锂离子电池负极材料的性能分析评价

[19] 王振廷, 付长璟编著. 石墨深加工技术. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社

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