炭黑石墨化是一種通過高溫熱處理將無定形碳（炭黑）轉化為有序石墨結構的關鍵工藝。該技術廣泛應用于鋰電池負極材料、導電添加劑、高導熱材料等領域。

炭黑石墨化的核心原理

石墨化是指通過高溫（通常≥2500°C）使碳原子從無序排列（炭黑的無定形結構）轉變為石墨的層狀六方晶格結構。這一過程涉及碳原子的重排、缺陷消除及晶格生長，最終提升材料的導電性、熱導率和化學穩定性。

炭黑石墨化工藝流程

1、原料預處理

a）炭黑選擇：優先選用高純度、粒徑均勻的炭黑（如乙炔炭黑或爐法炭黑）。

b）造粒處理：通過噴霧造粒或機械壓制形成致密顆粒，減少后續高溫下的結構坍塌。

c）除雜：酸洗（如鹽酸、氫氟酸）去除金屬雜質，避免高溫下雜質催化異常晶格生長。

2、高溫石墨化

a）設備選擇：常用艾奇遜爐、感應爐或連續式石墨化爐。

b）溫度控制：分段升溫：

階段一（800-1500°C）：揮發分脫除，碳結構初步有序化。

階段二（2500-3000°C）：碳原子遷移重組，形成石墨微晶。

c）氣氛保護：惰性氣體（氬氣）或真空環境，防止氧化。

d）催化劑添加（可選）：鐵、鈷等金屬可降低石墨化溫度，但需后續酸洗去除殘留。

3、后處理工藝

a）破碎篩分：將石墨化后的塊體粉碎至目標粒徑（如10-30μm）。

b）表面改性：包覆瀝青或氣相沉積碳層，提升電化學性能（適用于鋰電池負極）。

c）純化處理：二次酸洗+高溫純化，確保純度≥99.95%。

影響石墨化效果的關鍵因素

1、溫度與時間：溫度≥2800°C時，石墨化度（G值）可達90%以上；保溫時間通常為10-48小時。

升溫速率：過快升溫易導致顆粒內外溫差大，產生結構缺陷。

2、原料特性：炭黑的比表面積（>50 m2/g）和孔隙率影響傳熱效率。

3、壓力環境：高壓（如5-10MPa）可促進碳層堆疊有序性。

行業應用場景

1、鋰電池負極材料：石墨化炭黑比容量可達340-360 mAh/g，循環性能優異。

2、導電劑：添加1-3%石墨化炭黑可顯著提升電極導電性。

3、高溫密封材料：石墨化產物耐溫性＞3000°C，用于航天部件。

4、核工業：高純石墨作為慢化劑，中子吸收截面低。

技術挑戰與前沿進展

1、能耗問題：傳統工藝電耗高達8000-12000 kWh/噸，微波石墨化技術可降低40%能耗。

2、環保升級：開發無氟酸洗工藝，減少廢酸排放。

3、納米級控制：CVD法直接生長少層石墨烯包覆炭黑，提升倍率性能。

炭黑石墨化技術是碳材料高端化的核心環節，其工藝優化需結合熱力學模擬與微觀結構表征（如XRD、Raman）。隨著新能源及半導體產業的爆發式增長，高效、低成本的石墨化工藝將成為行業競爭焦點。