石墨是最難精確分級的材料之一。這並非因為它特別硬——方解石和石英的硬度都比它高——而是因為它的形狀。天然石墨和大多數人造石墨顆粒都是層狀的：扁平的片狀結構，具有很高的長徑比。利用空氣動力阻力分離顆粒的分級機不僅讀取尺寸，還讀取長徑比。一塊投影面積相當於30微米球體的扁平石墨片，其空氣動力學行為類似於一個較小的球形顆粒。它會被吸入分級機，進入細產品流，而它的尺寸本應被剔除。
結果是得到的石墨產品的D90範圍更寬，D97範圍更高，兩者都高於分級器設定的預測值。這是因為扁平顆粒被系統性地錯誤分類為細顆粒。對於負極石墨生產而言，D90範圍過大會導致鋰離子嵌入不均勻，並可能在高倍率充電過程中引發電極開裂，因此這種誤差是不可接受的。
本文闡述了石墨難以分類的原因，以及不同陽極應用的具體粒徑分佈目標。此外，本文也介紹如何配置分類器以補償石墨的層狀結構，以及分類在實際應用中的結果。
為什麼石墨比其他電池材料更難分類
層狀形狀問題
空氣顆粒分類是根據空氣動力阻力與顆粒質量的比值來劃分顆粒的。對於球體而言，這個比值是明確定義的：阻力與投影面積成正比（與直徑的平方成正比），質量與體積成正比（與直徑的立方成正比）。劃分點——即阻力和離心力達到平衡時的顆粒直徑——是可預測且一致的。
石墨片打破了這種法則。以雷射繞射法（測量等效球形直徑）測得的直徑25微米的石墨顆粒，其實際幾何形狀可能是一塊邊長40微米、厚度5微米的片狀顆粒。在分級機中，這種顆粒與氣流接觸的表面比25微米的球體大得多，因此阻力也更大。從幾何角度來看，這種顆粒應該屬於粗顆粒的剔除物，但實際上它卻被歸入了細顆粒產品部分。
實際後果是：如果您根據球形材料的切割點計算將分級器設定為產生 D90 = 25 微米的粒度，那麼陽極石墨在雷射衍射分析中得到的 D90 值將為 30-35 微米。分級器運作正常－它透過空氣動力學特性進行分級。然而，產品規格是以雷射衍射測量的等效球形直徑來表示的，而不是空氣動力學直徑。要讓石墨產品的 D90 達到 25 微米，您需要將分級器的設定比等效球形材料的設定嚴格得多。
靜電團聚
細石墨粉（D50 小於 15 微米）具有導電性，在分級過程中會累積靜電荷，尤其是在乾燥、低濕度的條件下。帶電顆粒相互吸引，形成柔軟的團聚體，這些團聚體在空氣動力學上表現得像大顆粒一樣，最終進入粗粒廢料流。這導致產品收率降低，分級效率下降——本應作為產品的細粒部分被剔除並重新循環利用。
在石墨分級過程中，控制靜電團聚需要採取以下措施：控制製程空氣的濕度（相對濕度在 60-70% 之間可顯著抑制靜電積聚）、對所有製程設備進行防靜電接地，或在某些裝置中，在分級機入口處安裝一個弱電離棒。這些都不是通用分級機的標準配置，而是石墨專用設備的設計考量。
低堆積密度和粉塵性
天然石墨和人造石墨的堆積密度為0.3-0.8 g/cm³，遠低於礦物填料（碳酸鈣為0.8-1.2 g/cm³，石英為1.2-1.5 g/cm³）。低堆積密度意味著石墨容易流化，難以以可控且穩定的速率進料。進料速率的不穩定性會直接導致產品粒徑分佈變寬：當進料速率突然升高時，分級區內的顆粒濃度會增加，並且由於顆粒堆積效應，有效切割點會朝較粗的方向移動。因此，石墨專用分級裝置需要配備具有質量流量控制器的可控速率給料機（振動式或螺旋式），而不是容積式給料機。
按應用劃分的陽極石墨的PSD規格
並非所有陽極石墨都需要相同的粒徑。目標粒徑分佈取決於電池結構、電極設計以及應用的電化學需求。
| 應用 | D50靶 | D90靶 | 關鍵要求 |
| 天然石墨（標準陽極） | 14-18微米 | 30-38微米 | 跨距窄；D90 硬限位防止電極開裂 |
| 人造石墨（高倍率陽極） | 10-14微米 | 22-28微米 | 更窄的粒徑分佈，實現快速充電；低細粉含量 |
| 球化石墨（優質陽極） | 15-20微米 | 32-40微米 | 跨度非常小；球形度與受控的 D90 結合 |
| 尾礦回收（導電添加劑） | 5-10微米 | 15-20微米 | 球化過程中產生的細小餾分；適用於混合 |
| 矽-石墨複合陽極 | 6-12微米 | 18-25微米 | 與矽顆粒尺寸相符；均勻的複合材料分佈 |
不同電池製造商和電極設計的規格各不相同。在設定分類參數之前，請務必參考買方的進貨檢定規程。
D90 規格幾乎總是比 D50 更難達到。 D50 主要由分級輪轉速決定，對參數調整的反應是可預測的。 D90 更難控制，因為它代表了分佈的尾部——那些剛好大到足以被分級機剔除，但有時會由於形狀效應、湍流或進料速率變化而漏過分級機的顆粒。對於陽極石墨而言，D90 超標通常意味著少量原本可控的過大層狀顆粒會導致電極缺陷，其發生率足以使電池製造商的來料品質控制不合格。
配置陽極石墨分級器
轉子轉速：設定得比球形材料所需的轉速更緊。
由於石墨的層狀結構會導致扁平顆粒被錯誤地歸入細粒級，因此您需要將分級機轉子轉速設定得比等效球形材料計算出的目標 D90 值更高。一個實用的初始設定：對於目標 D90 為 35 微米的天然石墨，初始轉子轉速應設定為與目標 D90 為 25-28 微米的球形礦物相同。然後透過雷射衍射法測量實際產品的粒徑分佈，並逐步調整轉速，直到測得的 D90 值符合規格要求。
針對您特定的石墨來源和結晶度，記錄此形態校正因子——天然鱗片石墨、人造石墨和球狀石墨的該因子各不相同，因為它們的縱橫比不同。適用於一種石墨等級的製程配方不能直接應用於另一種石墨等級。
氣流：平衡扁平顆粒的阻力和離心力
更高的氣流會增加所有顆粒的阻力，這往往會將更多物料帶入細產品流中。對於層狀石墨而言，由於其扁平顆粒本身阻力就較大，因此，如果氣流超過物料輸送所需的最低值，反而會加劇形狀分類錯誤的問題。氣流應保持在能夠維持分級機進料區穩定流化的最低水平——通常比處理同類礦物所需的氣流低 10-20%。
緊湊的轉子速度和適中的氣流共同作用，形成了一個分級區，在該分級區內，對於較粗的扁平顆粒，離心分離作用超過了空氣動力阻力，從而在不犧牲吞吐量的情況下改善了 D90 控制。
進料速率：透過質量流量控制器保持穩定
石墨的進料速率應設定為分級機額定容量的 60-75%，低於同等細度礦物的進料速率，因為石墨的堆積密度低且易於流動，在高進料速率下，擁擠效應更為顯著。更重要的是，要保持進料速率恆定。陽極石墨分級生產線的實用標準是在進料螺桿上安裝一個質量流量控制器，其設定值的容差為 ±5%。進料速率的波動超過此容差範圍，會導致產品 D90 值波動。
精細級濕度控制
對於粒徑小於 D50（12 微米）的陽極石墨分級（靜電團聚現像在該粒徑範圍內較為顯著），將製程空氣的相對濕度調節至 60-70% 可有效抑制靜電荷。這需要在分級機的進氣口處安裝加濕系統，雖然會增加設備成本，但對於連續生產優質陽極石墨是合理的。另一種方法是在石墨進料中添加極低濃度（0.05-0.1%，重量比）的抗靜電添加劑，無需加濕即可抑制團聚，但這必須與下游電極的化學成分相容。
| 石墨分類參數起始點 轉子速度修正： 將 15-25% 的設定值設定為高於相同 D90 靶材的等效球形材料計算值－根據測量的 PSD 進行調整 空氣流動： 10-20% 低於額定容量，適用於同等礦物；穩定流化所需的最低容量 進料速率： 分級機額定容量為 60-75%；透過質量流量控制器控制至 +/-5% 濕度（D50 < 12 微米）： 將製程空氣的相對濕度調節至 60-70%，以抑制靜電團聚。 PSD驗證間隔： 新等級石墨在最初4小時內每隔30分鐘取樣一次－石墨達到穩定狀態所需的時間比礦物材料更長。 |
生產結果
案例研究 1
天然石墨陽極材料：D90 透過分級機重新配置，粒徑從 42 微米減少到 31 微米
情況
天然石墨負極材料生產商的產品始終無法滿足其電池製造商客戶規定的D90最大粒徑35微米的要求。電池廠的進貨質檢部門拒收了約20%批次的產品。他們現有的空氣分級機的參數設定源自分級機供應商的標準礦物設定－轉子轉速和氣流並未針對石墨的層狀結構進行調整。對他們的產品進行雷射衍射分析顯示，重複取樣後，D50粒徑為16.2微米（符合規格），但D90粒徑為40-44微米（超過35微米的限值）。
發生了什麼變化
EPIC粉末機械的應用工程師對分級機進行了審核，發現轉子轉速是根本原因：轉速設定為D90目標值為35微米，這是基於球形顆粒計算得出的，但由於層狀形態效應，實際產品的D90比預期值寬6-9微米。轉子轉速提高了22%；同時，氣流減少了12%，以防止細顆粒過度排出。進料速率為
額定容量從 100% 減少到 68%，並透過質量流量控制器進行穩定。
結果
- D50： 15.8 微米－與之前基本相同（中位數尺寸已經正確）
- D90： 31.2 微米－相當於減少了 26%，在客戶 35 微米的限制範圍內，並留有餘裕。
- 批次拒收率： 在電池製造商的進貨品管環節，TP3T含量從20%降低到2%以下。
吞吐量： 在新進給速率設定下，減少了 14%——這被認為是滿足規格要求所必需的權衡。
案例研究 2
人工石墨陽極：消除靜電團聚，實現精細化生產
情況
一家人造石墨生產商正在生產一種用於高倍率電池的精細陽極材料，目標粒徑為D50 11微米、D90 24微米。然而，分級合格率僅為61%，遠低於預期的80-85%。儘管實測粒徑完全符合規格，但大部分缺失的材料仍被剔除到粗粒回流中。對粗粒回流材料的電子顯微鏡觀察顯示，其中存在聚集在一起的細石墨顆粒，而非單一過大顆粒——這是典型的靜電團聚現象。
發生了什麼變化
在分級機進氣口安裝了加濕系統，將製程空氣的相對濕度調節至 65%，然後再進入分級區。產品接觸路徑上的所有金屬表面均已連接並接地。濕度控制系統安裝完畢後，對分級機參數進行了重新最佳化。
結果
• 分級收率：從 61% 提高到 83% — 提高了 22 個百分點 — 回收了因團聚而損失的細料
• D50：11.4 微米－符合規格
• D90：23.1 微米－符合規格
每噸生產成本：透過提高產量和降低再循環能耗，降低約 181 噸/立方英尺
| 陽極石墨與其他電池材料的區別是什麼？ EPIC粉末機械的應用工程師會根據石墨和碳材料分級的挑戰，專門配置空氣分級機，包括層狀形態補償、靜電管理和D90硬切割性能。我們提供免費石墨原料分級試驗，並在您購買設備前提供完整的粒徑分佈數據。請將您的原料粒徑分佈、目標D50和D90以及處理量要求寄給我們，我們將為您推薦合適的分級機配置。 申請免費分類試用：www.powder-air-classifier.com/contact 了解我們的陽極石墨分級機系列：www.powder-air-classifier.com |
常見問題解答
為什麼我的陽極石墨分級器產生的 D90 值比分級器設定預測的要寬？
這是石墨分級中最常見的問題，其根源在於石墨顆粒的層狀結構。空氣分級機根據空氣動力學特性（具體而言是阻力與顆粒質量的比值）來分離顆粒。扁平的片狀石墨顆粒與氣流接觸的表面遠大於具有相同雷射衍射直徑的球體。這意味著其阻力相對於品質而言過高。
這些扁平顆粒被吸入細產品流中，而從幾何角度來看，它們本應進入粗顆粒剔除區。結果是，透過雷射衍射測量得到的實際產品 D90 比分級機切割點計算預測的球形顆粒的寬度大 5-15 微米。解決方法是將分級機轉子轉速提高 15-25%。此轉速應高於等效球形材料計算得出的 D90 目標值。然後透過實際的粒度分佈測量進行驗證，並據此進行調整。
天然石墨負極材料的D90規格通常是多少？電池製造商對該規格的執行力道如何？
對於消費性鋰離子電池中使用的標準天然石墨負極材料，D90 的目標尺寸通常在 30-38 微米範圍內，D50 的目標尺寸約為 14-18 微米。對於高倍率和快充應用，規格要求更為嚴格：D90 為 22-28 微米，D50 為 10-14 微米。電池製造商通常將 D90 作為嚴格的來料品質控制參數。即使 D90 超出 2-3 微米，該批次產品也可能被拒收。電極中過大的石墨顆粒會在快充過程中導致局部金屬鋰沉積，這不僅會影響電池容量，也會影響安全性。 D50 的容差通常較寬（±2 微米），因為中位數尺寸會影響電極的能量密度，但它與安全失效模式的關聯性較弱。如果您的批次產品通過了 D50 但未通過 D90，則最可能的原因是上述的層狀石墨分類錯誤。
史詩粉末
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— 艾米麗·陳, 工程師
