快速冷却装置(锂电池系列14：人造石墨的高毛利环节----石墨化)

Posted 2023-05-26

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快速冷却装置(锂电池系列14：人造石墨的高毛利环节----石墨化)

一、什么是石墨化？

石墨是碳的一种同素异形体，只含有碳元素，它在日常生活中很常见，比如，铅笔就是由石墨制成的。

石墨由一层一层的碳平面堆叠而成，为六边形层状结构。在同一层中，各个碳原子相互手拉手，联系紧密，但层与层之间却几乎没有联系。

日常使用的煤炭、木头烧过后的木炭也是碳，甚至昂贵的钻石（即金刚石），也是由碳构成。石墨、金刚石、煤炭等之所以不同，只是因为碳原子的排列不同。

做个形象的比喻，每一个碳（C）原子都有4只小手，当这4只小手与其他碳（C）原子的小手，以不同方式手拉手连起来，就形成了石墨、金刚石、煤炭等物质。

石墨化就是生成石墨的过程。通俗地说，就是将其它晶体结构的碳物质，转化成石墨晶体结构的过程。

石墨化提升了产品的体积密度、导电率、导热率、抗腐蚀性能和机械加工性能，它是人造石墨负极生产过程中的关键工序。

由于分子结构不同，这些原子团的聚集状态不一样，石墨化的难易程度也就不同。无烟煤、石油焦、针状焦原子团的堆积大致是平行定向的，交叉连线很少，属于易石墨化焦。糖碳、碳黑内部结构的聚集是杂乱的，再加之这些材料多微孔，含有大量的氧及氢氧团，就难以石墨化。沥青焦，冶金焦等介于以上两种情况之间。

选择易石墨化的原料是生产优良人造石墨的先决条件。石油焦所生成的人造石墨灰分较低，导电性良好。而沥青焦在同样温度下得到的石墨较硬，比电阻略高一些，冶金焦灰分杂质较高，比电阻也较高，两者均不如石油焦。

高温是碳转变成石墨的主要外界条件。同种碳材料，温度越高，石墨化程度越好。不同种碳材料，开始石墨化的温度不同。高温下的停留时间与石墨化程度与也有一定关系，但效果远没有提高温度明显。

比如，石油焦一般在1700℃开始石墨化，一直到2300℃以上才接近理想的石墨结构，而沥青焦则要在2000℃左右才开始石墨化。

二、石墨化工艺

石墨化工艺流程主要包括铺炉底、砌炉芯、装炉、送电、冷却、出炉和包装。

石墨化一个生产周期通常需要 20-30 天，期间的送电时间约40～100 小时。为充分利用变压器，一台变压器会与几台炉子结合进行循环生产，保证供电装置连续运行。

石墨化产能的建设周期一般要一年至两年时间。

三、石墨化环节高能耗高毛利

石墨化是人造石墨制备过程中的关键环节，也是高能耗环节，其本质是通过高温热处理对原子重排及结构转变提供能量的过程。

目前，我国主流的石墨化炉为艾奇逊石墨化炉和内串式石墨化炉。根据石墨网统计，艾奇逊石墨化炉的耗电区间为 4000～4800kwh/t，内串式石墨化炉的耗电区间为3300～4000kwh/t。电费在石墨化成本中占比高达 60%，因此，国内石墨化产能多分布在低电价的内蒙古、四川等地。

石墨化工艺相对独立，能耗高，设备投资大，专业性强，同时，石墨化电阻料废料的处置需要稳定的钢厂、铝厂客户资源，很多公司都将石墨化环节交给外部公司生产。

人造石墨负极材料的生产成本主要包括加工费和原材料，其中，原材料约占 40%，加工费约占 51%，制造费用和人工费用占比极少。原材料价格与加工费的变化将极大影响负极材料的利润和销售价格。

原材料主要为石油焦、针状焦等，来源于石油化工和煤化工的副产品，市场供给充足，行业竞争充分，价格主要受石油价格的波动影响。因此，降低加工费是企业降低人造石墨负极材料生产成本的重要途径，其中，降低石墨化电费是降本的关键。

但是，各地政府能耗控制政策、环评压力、频繁限电及电费上涨等原因，使得石墨化产能释放不及预期，企业开工率也受到一定限制。

在供需缺口下，石墨化价格屡创新高，该环节的毛利率较高。璞泰来石墨化工序（含自销）的毛利率达34.46%，尚太科技公告称，石墨化委外加工占比从50%降至30%，则负极材料的毛利率可提高4.74%。为有效降本，提高石墨化自供率，越来越多的厂商加大人造石墨一体化产能投放，在提高成本竞争力的同时，也可缓解石墨化产能不足对人造石墨产能的制约压力。

在这种情况下，各企业纷纷进军上游焦源及石墨化，一体化布局在当前已成为负极企业最核心的护城河。

四、降能耗是石墨化工艺迭代的方向

在传统石墨化坩埚炉加工工艺中，艾奇逊石墨化炉本身的能耗较高，但其中只有30%的电能被用于制品石墨化。因此，降能耗尤为关键，也是未来的演化方向。

与传统坩埚炉法相比，箱式炉法的单位电耗降低40%~50%，连续炉法的单位电耗降低60%左右。

目前，主体市场为坩埚炉艾奇逊法，箱式炉法和连续炉法有望成未来主流。

艾奇逊法产出最稳定可靠，但改进空间有限。箱式炉物料均匀性略差，未来仍需优化装炉工艺，提升均匀性。连续炉法单日产出是传统坩埚炉工艺的5-6倍，不过由于连续法加热温度相对较低，会导致石墨化程度和产品比容量低，暂无法应用于高端市场。

箱式炉法已在逐步应用，头部负极企业已实现箱式炉量产。以杉杉股份为例，作为第一家开发出箱式炉石墨化的企业，其目前装量规模已达300吨，单位耗能和维修费用优势明显。

连续炉法采用电阻或感应加热，可实现高温下连续式进料和出料，为未来革新方向。其主要优势在于：1、工序简单、生产周期短。它将装炉、通电、冷却、卸出等多道工序一体化，实现连续生产，自动化程度高。2、热量利用率高，能耗降低。通过采用新的炉型结构和快速冷却装置，加快排料和冷却速度，在连续生产的状态下，不存在间歇式的炉体蓄热损失，热量利用率提高。3、污染物少，环境友好。它简化了生产工序，且设置了排硫孔和排烟孔，避免污染物直接排放。

五、石墨化的产业格局

石墨化需要消耗大量电力，产能布局整体上是根据电力供应能力和电价分布的。我国石墨化产能主要集中在西北地区，市场格局较为分散。

根据高工锂电统计，2021 年内蒙古石墨化产能占比41%、四川 17%、山西 12%、青海 8%。

根据头豹研究院数据，2021 年，在我国石墨化市场中，外协厂的占比达到 63%，在上市公司中，璞泰来石墨化市场份额最大，占整体市场份额的 13%。