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化工原料常见问题

碳酸锂及其产业链基础

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  摘要:

  锂具有特殊的物理和化学性质,其应用领域广泛,被誉为“工业味精”,碳酸锂是是最重要的锂产品,用途较广,在新能源时代碳酸锂的主要用途是制作磷酸铁锂电池、中低镍三元电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池等的锂原料。

  行业内根据主成分含量可分为电池级碳酸锂和工业级碳酸锂等;根据原料来源又可分为锂辉石、锂云母和盐湖卤水等制备的碳酸锂,不同的品质和技术路线对应不同的应用和发展。

  锂行业经历多年的发展,近年来随着“碳中和”目标的推进,新能源行业持续推进,碳酸锂作为新能源汽车动力电池和储能电池的核心原材料,需求量显著增长。我国凭借全球最完整的锂电产业链和新能源汽车市场的体量优势,成为了碳酸锂全球最大的生产和消费国。

  当前全球碳酸锂供给呈现高度集中的特点,而受全球锂资源有限、电池级碳酸锂技术门槛较高、电池级碳酸锂有效产能不足等因素的影响,我国碳酸锂行业生产端集中度较高,我国碳酸锂产量集中于江西、四川和青海。

  一、碳酸锂概念

  锂是一种银白色的轻金属,原子序数为3,原子量6.94,其密度仅0.53g/cm3,是自然界中最轻的金属元素,具备质地软、比热大、电化学当量小等一系列优良特性。由于锂具有特殊的物理和化学性质,其应用领域广泛,被誉为“工业味精”,既可用作催化剂、引发剂和添加剂等,又可以用于直接合成新型材料以改善产品性能。由于锂具有最高的3.04V标准氧化电势,容易参与电化学氧化还原反应,且锂作为最轻的金属元素,有利于减小电池质量,因而是电池领域应用效果最好的元素。

  碳酸锂是一种常见的无机锂盐,化学式为Li2CO3,分子量73.89,通常为无色单斜晶系结晶体或白色粉末,是最重要的锂产品,可再加工成其他锂产品。碳酸锂用途较广,在电池、玻璃、陶瓷、医药和食品等工业中应用广泛,亦可用于合成橡胶、染料、半导体、军事国防工业、电视机、原子能、医药、催化剂等方面,在新能源时代碳酸锂的主要用途是制作磷酸铁锂电池、中低镍三元电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池等的锂原料。

       主要锂盐产品.png

  二、碳酸锂分类

  (一)按质量品级分类

  碳酸锂根据其主成分含量、粒度、化学指标以及纯度被分为工业级碳酸锂与电池级碳酸锂,二者均有对应的国家或行业标准。

  行业内根据主成分含量进一步将碳酸锂细分为以下几类:主成分含量在99.5%以上,杂质达标的称为电池级碳酸锂;主成分含量在99.5%以上,但是个别杂质指标不满足电池级的,称为准电池级碳酸锂;主成分含量在99.2%-99.5%,但是杂质相对较多的称为工业级碳酸锂,主成分含量在99.2%以下,称为粗制碳酸锂,也有称为工业级碳酸锂。目前电池级碳酸锂和工业级碳酸锂的产量分布较为平均,电池级的产销及增量空间更大,多数粗制碳酸锂可经过加工提纯变为的电池级碳酸锂使用。

  (二)按原料分类

  制备碳酸锂的原料主要包括锂辉石、锂云母和盐湖卤水等,锂黏土和透锂长石等原料尚未形成规模化的产业路线。目前各原料技术成熟度存在差异,电池级碳酸锂主要为锂辉石制备,而工业级碳酸锂主要为锂云母或盐湖卤水制备。

  采用不同原料的碳酸锂生产企业,主营产品也有一定的区别。矿石系提锂企业中,锂辉石提锂企业大部分生产电池级碳酸锂,云母提锂企业生产小部分工业级碳酸锂;盐湖卤水提锂企业生产工业级碳酸锂和电池级碳酸锂的比例为8:2或7:3。

  相比而言,矿石提锂技术成熟,产品质量稳定可靠,对生产高质量电池级产品具有绝对优势。但卤水锂资源总量大,提锂工艺相对简单,能耗要求较低,尤其是南美盐湖可直接析出粗制碳酸锂,成本相比矿石提锂显著偏低。

       2022年我国碳酸锂产品品质结构.png

  三、锂行业发展

  全球范围来看,锂行业的发展经历了比较大的变化。二十世纪前中期,美国是全球最大的锂盐生产和消费国,生产方式以矿石提锂为主,锂的主要下游为高温润滑剂,常用于航空发动机。二十世纪中后期,氢弹等核聚变武器的生产导致锂的需求短时间内提升,我国于1958年在新疆建设了新中国第一家锂盐厂。二十世纪末期,冷战结束导致军用领域的锂需求显著减少,锂的下游主要消费领域回到陶瓷、玻璃、合金、工业润滑剂、医疗等传统产业。

  二十一世纪以后,电子产业的发展(电脑、手机等电子消费产品)带动锂电池需求提升较快,锂的下游消费结构逐渐转化向以电池为主的结构。澳洲地区因其矿山锂资源储量丰富且开采成本较低,成为全球最主要的锂矿石供应来源。此外,随着盐湖提锂技术突破,以我国青海和南美智利、阿根廷为代表的盐湖成为碳酸锂第二大来源。

  2010年以来,随着“碳中和”目标的推进,新能源行业持续推进,碳酸锂作为新能源汽车动力电池和储能电池的核心原材料,需求量显著增长。我国凭借全球最完整的锂电产业链和新能源汽车市场的体量优势,成为了碳酸锂全球最大的生产和消费国,2016-2020年为碳酸锂、氢氧化锂快速发展的五年,中国新进赛道冶炼厂数据超过50家,对比十二五期间增长约50%。同时,锂资源开发也进入加速阶段,随着非洲和巴西矿山的开发,阿根廷盐湖建成投产,未来锂资源供应呈现多元化趋势。

  四、碳酸锂产业链

  在碳酸锂的产业链中主要涉及的链条包括上游采选、中游冶炼以及下游应用。上游锂矿方面,锂资源主要为锂矿石和盐湖两大类。一般而言,锂矿石生产锂盐品质更高、杂质更少、一致性更好,盐湖生产锂盐成本更低。锂矿石可直接制成氢氧化锂和碳酸锂,盐湖通常先制成碳酸锂再通过苛化制成氢氧化锂。

  中游的主要锂盐产品为碳酸锂、氢氧化锂,都是生产锂电池正极材料的原料。二者应用范围有区别,碳酸锂主要用在生产磷酸铁锂和三元材料中的中低镍正极材料,而氢氧化锂主要用于生产三元材料中的高镍正极材料。

  工业级产品和电池级产品由于纯度、杂质和性能的差异,应用领域也有所不同。电池级碳酸锂和氢氧化锂广泛应用于锂电池正极材料,而工业级碳酸锂一般用作玻璃、陶瓷、珐琅等原材料,工业级氢氧化锂用作润滑剂。

       碳酸锂产品结构.png

  五、碳酸锂产业现状

  (一)全球市场

  当前全球碳酸锂供给呈现高度集中的特点。从矿石提锂产业链来看,澳大利亚为目前锂精矿主要产地,我国为锂矿冶炼和碳酸锂主要生产国。未来随着巴西和非洲五国(刚果(金)、马里、津巴布韦、加纳、纳米比亚)的锂矿陆续投产,矿石来源将呈现多元化趋势;我国将维持锂矿冶炼的统治地位。从盐湖提锂产业链来看,我国青海和西藏盐湖虽然资源禀赋较差,但通过不断技术创新,依然占据了全球盐湖提锂22%产量。南美国家由于盐湖资源特性,能直接由卤水析出粗制碳酸锂,占据全球盐湖提锂78%产量。其中智利由于盐湖开发起步最早,是目前海外碳酸锂主要生产国。未来几年,随着阿根廷盐湖陆续投产,海外碳酸锂生产将呈现两强格局。

  从生产企业来看,国际碳酸锂供应企业集中度较高,美国雅保ALB、智利矿业化工SQM、美国Livent和澳大利亚Allkem为国际碳酸锂主要供应商,2022年合计产量约占海外产量的74%,全球的27%。其中ALB、SQM、Livent均在我国境内设有实体企业,ALB在国内还有生产工厂。Allkem则主要销往日韩,产品以氢氧化锂为主。

  (二)国内市场

  受全球锂资源有限、电池级碳酸锂技术门槛较高、电池级碳酸锂有效产能不足等因素的影响,我国碳酸锂行业生产端集中度较高。从产区看,我国碳酸锂产量集中于江西(40%)、四川(17%)和青海(18%),其中,江西和四川为矿石型锂资源,青海为盐湖卤水型锂资源。此外,碳酸锂由于生产特性导致产能提升较为平缓,而下游新能源汽车行业目前正处于高速发展期,增速波动较大,因此,碳酸锂产量与新能源汽车需求容易发生供需错配,导致碳酸锂价格波动明显。


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