实验室负极材料 CO₂ 活化炉技术方案

一、简介

二、遵循标准

• GB 5959.1-2008 电热装置安全 第 1 部分：通用要求
• GB/T 10067.1-2019 电热装置基本技术条件
• JB/T 6205-2019 实验室回转电阻炉
• GB/T 13384-2008 机电产品包装通用技术条件
• 满足实验室 CE 低电压、EMC 自检要求

三、主要用途

1. CO₂ 活化：C + CO₂ → 2CO，微孔/介孔结构调控
2. CO₂/N₂ 混合活化或 CO₂/Ar 混合活化
3. 高温碳化 ≤1 200 ℃（惰性气氛）
4. 小试工艺参数优化（温度 700–1 000 ℃、CO₂ 流量、停留时间、转速）

四、工作原理

炉管水平或 0–15° 微倾布置，0–10 rpm 可调回转；物料被 310S 扬料板连续翻动，形成均匀料幕。高纯 CO₂（≥99.999 %）经预热环 200 ℃预热后从给料端定量喷入，与炽热碳发生吸热反应；尾气经旋风除尘、水冷盘管、活性炭纤维罐三级净化后排放。系统可扩展至真空 <10 Pa 后回充 CO₂，实现“真空-活化”循环，提高初始反应均一性。

五、主要技术参数

六、标准配置

1. 双层风冷炉壳，表面 <60 ℃
2. 310S 炉管（壁厚 4 mm/6 mm）整体锻造，内装 4 片螺旋扬料板
3. 铁铬铝含 Mo 电阻丝环形布置，陶瓷纤维模块保温（1 600 型 + 1 260 型）
4. 51 段可编程 PID 温控仪，USB 数据导出
5. 齿轮减速电机 + 链传动，转速变频可调
6. 高纯 CO₂ 专用质量流量控制器（MFC），精度 ±1 % F.S.
7. 预热环管（310S，200 ℃）
8. 旋转接头：石墨 + FKM 双密封，轴向弹簧补偿
9. 尾气三级处理：旋风除尘 → 水冷盘管 → 活性炭纤维罐
10. 安全联锁：超温断电、断偶报警、紧急停止、漏电断路器

七、可增选配置

• 机械真空泵 + 分子泵机组（≤10⁻² Pa）
• 三通道 MFC（CO₂/N₂/Ar）
• 在线红外 CO/CO₂ 分析仪（0–100 %）
• 高温摄像头 + 石英观察窗
• 冷却外旋筒（快速出料 <100 ℃）
• 二级冷凝 + 自动排焦油
• 远程监控模块（RS485/Modbus）

八、结构特点（详细）

1. 炉管：0Cr25Ni20（310S）整体冷拔，壁厚 4 mm（0.5 kg 型）/6 mm（5 kg 型），高温蠕变强度 ≥20 MPa（1 000 ℃）。两端缩颈至 Φ60 mm/Φ120 mm，降低轴封直径与热传导；扬料板 45° 螺旋角，满焊后抛光，寿命 ≥3 年。
2. 密封：旋转接头采用“石墨环 + 氟橡胶 O 型”双道密封，轴向弹簧自动补偿磨损，连续运行 2 000 h 泄漏量 <2 mL h⁻¹（水）。
3. 保温：内层 1600 型多晶纤维模块（厚 150 mm），外层 1260 型纤维毯（厚 50 mm），壳体表面 <60 ℃；模块预埋电阻丝沟槽，更换加热元件无需拆炉。
4. 传动：摆线针轮减速机（1:289）+ 链轮，输出扭矩 120 N·m（0.5 kg 型）/380 N·m（5 kg 型），变频器设过流、缺相保护。
5. 预热环：Φ6 mm 310S 盘管 10 圈，贴壁布置，确保 CO₂ 进入炉管 ≥200 ℃，防止冷气体造成局部温度梯度。
6. 尾气冷却：316L 螺旋盘管，换热面积 0.8 m²，冷却水 25 ℃循环，出口尾气 <80 ℃，保护后置活性炭纤维。

九、易损件与寿命

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十、使用寿命

• 炉管及保温结构：≥10 年（正常使用、保养）
• 加热区炉管质保：3 年
• 电控系统质保：2 年
• 提供终身技术支持与可溯源备件

十一、售后质保

1. 自验收合格之日起 12 个月内免费保修（易损件除外）；
2. 2 h 响应，48 h 到场（国内）；
3. 质保期后仅收成本费，提供备件清单及市场价；
4. 免费培训 2 名操作人员（≥8 h），含工艺调试、安全操作、维护；
5. 提供纸质 + 电子版说明书、PID 图、电气原理图、程序备份。

十二、包装与运输

• 0.5 kg 型：全封闭胶合板木箱，内衬防潮袋 + 防震泡沫，毛重 ≈220 kg，体积 1.3 m³，适用于快递/零担；
• 5 kg 型：可拆件简易包裹 + 熏蒸底托，主机缠绕膜防水，电机、仪表独立木盒，毛重 ≈480 kg，体积 2.4 m³，顶部设吊装点；
• 唛头标注重心、向上、防雨、防震符号，随机附装箱单、质保卡、合格证。

十三、使用注意事项（含加热元件）

1. 首次使用 200 ℃×2 h 烘干炉膛，排除吸附水；
2. 310S 炉管必须在空气或 CO₂ 气氛下完成预氧化（900 ℃×4 h），形成 Cr₂O₃ 保护膜，否则高温 CO₂ 会加剧晶间腐蚀；
3. 严禁在 <600 ℃ 时通入大量 CO₂，防止冷气体造成电阻丝脆断；
4. 升温速率 ≤15 ℃ min⁻¹，降低炉管热应力；降温 700 ℃ 以上自然冷却，禁止强制风冷；
5. 运行中每 30 min 巡检：电流、电压、CO₂ 流量、尾气温度；发现异常立即停炉；
6. 停机后保持 N₂ 流通至 200 ℃ 以下方可打开炉盖，防止空气回吸爆燃；
7. 长期不用时，炉管内放置硅胶干燥剂，每月低速旋转 5 min 防止轴承卡死；
8. 电阻丝表面禁止接触卤素、硫、碱金属蒸汽，若发现脆化、下垂及时更换。

十四、操作方法（标准流程）

1. 准备
   a. 检查水、电、气、冷却水压力 ≥0.2 MPa；
   b. 校准温控仪，确认程序曲线（示例：RT→10 ℃ min⁻¹→900 ℃→恒温 60 min→自然降温）；
   c. 称量 0.5 kg（或 5 kg）负极前驱体，水分 ≤5 %。
2. 装料
   倾斜炉管 10°，打开给料端盖 → 装入样品 → 密封盖锁紧 → 回零倾斜角。
3. 置换
   启动真空泵抽至 -0.06 MPa → 充 N₂ 至 0.02 MPa，重复 3 次，设定尾气出口微正压 2–5 mbar。
4. 升温
   设定程序，开启加热；当温度 ≥600 ℃ 启动炉管旋转 3 rpm；900 ℃ 恒温前 10 min 开启 MFC，通入 CO₂ 5 L min⁻¹（0.5 kg 型）或 20 L min⁻¹（5 kg 型），预热环管温度 ≥200 ℃。
5. 活化
   恒温 900 ℃ 开始记录反应时间 30–120 min；在线红外仪监控 CO/CO₂ 比值，计算烧失率；每 20 min 取样 0.1 g（二次取样口）测 BET。
6. 结束
   关闭 CO₂ → 继续 N₂ 保护 → 自然降温至 200 ℃ → 停炉 → 倾斜 15° → 旋开出料端盖 → 收集样品至惰性气氛手套箱。
7. 清炉
   低速旋转并用 N₂ 吹扫 5 min → 关闭所有电源、水源、气源 → 清洁密封面，涂抹高温防卡剂 → 填写使用记录。

负极材料CO₂活化工艺介绍（实验室级）

一、工艺定位

二、适用前驱体

1. 人造/天然石墨（d₅₀ ≈ 8–16 µm）
2. 硬碳微球（树脂基、生物质基）
3. 软碳（沥青基）
4. 硅碳复合基体（先碳包覆再活化，避免Si蚀刻）

三、实验室标准流程（回转炉示例）

• 同一设备内完成碳化-活化切换，先抽真空<1 kPa再充CO₂，确保气体纯度≥99.999 %。
• 活化温度每升高50 ℃，烧失率约增加3–5 %；实验室通常固定800 ℃，通过时间调节孔径。

四、关键控制点

1. 烧失率（Burn-off）
   　5–15 %：微孔为主，比表面积500–800 m² g⁻¹，首效>85 %
   　15–30 %：介孔增多，比表面积1000–1800 m² g⁻¹，倍率性能提升但首效略降
2. CO₂分压与流量
   　回转炉：0.5–2 L min⁻¹/100 g料，空速≈1–3 h⁻¹
   　静态管式：50–100 mL min⁻¹，尾气CO浓度<5 %（在线红外监测）
3. 升温速率
   　碳化段≤5 ℃ min⁻¹，减少挥发分剧烈释放导致的孔道塌陷
   　活化段10 ℃ min⁻¹升至目标温度，减少热震
4. 料层厚度
   　回转炉填充率≤20 %，保证颗粒充分暴露于CO₂
   　静态舟皿料层≤10 mm，且每20 min用石英棒轻翻一次

五、工艺优势

• 无腐蚀性化学品，设备维护简单，废水零排放
• 孔径分布窄，微孔/介孔比例可通过温度-时间-分压精细调节
• 与后续CVD硅沉积匹配性好，可提供5–50 nm级"容纳孔"缓解Si体积膨胀

六、典型结果（实验室数据）

七、安全与环保

• 尾气含20–40 % CO，必须经水冷+火炬或催化燃烧后排放
• 炉膛内CO₂浓度>90 %可抑制爆燃，但需在线氧分析仪≤0.1 % O₂
• 活化结束先通N₂置换至CO<50 ppm方可开炉，防止人员中毒

八、小结