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化工原料常见问题

国内氢氧化锂生产工艺及单吨成本分析

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我国作为全球最大的动力电池和新能源汽车产销基地,新能源汽车的发展极大地促进了上游原材料的消费需求,包括氢氧化锂等基础锂盐。氢氧化锂由于熔点低和固有的化学特性,应用后可以增加高镍三元材料的稳定性。本文根据当前氢氧化锂的生产现状,介绍了氢氧化锂的生产工艺,并结合市场分析了氢氧化锂的成本构成,以期为国内氢氧化锂生产提供借鉴和参考。


锂产品在现代工业中具有非常重要的地位,在电池工业、铝工业、润滑脂、医药、制冷剂、核工业及光电行业等新能源、新材料领域有广泛的应用。随着技术的进步,锂产品的应用范围不断扩大,需求保持较快增长,行业发展前景十分广阔。新能源汽车市场的持续增长,带动了动力电池行业的增长[1]。鉴于需求端对于高续航里程及汽车轻量化锲而不舍的追求,高镍化趋势长期坚定不变。在动力电池高镍化趋势下,锂盐需求正渐渐从碳酸锂向氢氧化锂转变,氢氧化锂替代碳酸锂或成为趋势。高能量密度的高镍三元必须使用氢氧化锂,随着高镍三元正极材料的开发速度不断加快,高镍三元材料在动力电池上实现规模化应用,氢氧化锂的需求将不断走高,氢氧化锂及其制备业受到业界的广泛关注。

氢氧化锂生产成本分析


氢氧化锂生产过程中所使用的主要原辅材料为锂辉石精矿、硫酸、纯碱、烧碱、碳酸钙等 ;产品生产过程中主要能源消耗有两大方面 :一是设备运转的电能消耗 ;二是生产过程中的热量消耗。本文根据国内主要氢氧化锂企业原辅材料消耗、能源消耗及提锂回收率,来计算其直接成本 ,其成本计算如表下图 所示。从上表可以看出,原材料的成本占据了氢氧化锂直接

成本的 80% 左右,进而可以得知上游锂资源对企业成本控制的重要性。


成本控制是锂化工企业综合竞争的核心之一,同时也是体现企业内部管理机制及其运行效果的绩效指标。企业可以通过投资锂资源,获得稳定优质的锂原料来控制成本 ;也可以通过对各种生产工艺、设备、技术的不断完善和革新,提升产品质量,降低单位产品成本 ;也可以加大研发投入用于技术项目研发和科研成果产业化,通过产品差异化战略来增加高端产品溢价能力,确保成本效益,提高整体盈利能力。

制氢氧化锂单吨成本测算.png

氢氧化锂生产现状


2019 年,氢氧化锂因高镍三元电池的快速发展成为锂化合物的主要增长动力。根据五矿证券的研究报告,2019 年全球单水氢氧化锂的产销量约为 9.96 万吨,需求量约为 7.97 万吨,其中锂离子电池领域的需求约 6.2 万吨。预计 2025 年全球氢氧化锂的需求总量将大幅增长至 56.6 万吨,2019-2025 年的复合平均年增长率约 38.65%,2022 年锂电池对于氢氧化锂的需求量预计将超越碳酸锂。

当前全球优质氢氧化锂产能均集中在中国,随着特斯拉国产化的加速,以及宝马、蔚来等高镍车型的发力,2020 年中国电池级氢氧化锂需求及产量将会有明显增长。当前国内氢氧化锂的原料来源相较于碳酸锂更为单一,主要以锂辉石精矿为原料,生产厂商集中度更高。

氢氧化锂生产工艺

矿石、盐湖生产氢氧化锂的工艺路径成熟,但是在实际生产中,生产高品质的氢氧化锂产品却并不简单,尤其是除杂的工艺门槛较高,下游客户通常也有差异化的指标要求,这也注定氢氧化锂、尤其电池级氢氧化锂难以成为标准化的大宗商品。矿石可一步生产电池级氢氧化锂,首先利用锂精矿焙烧、酸化生产硫酸锂溶液,然后硫酸锂通过氢氧化钠进行转化,经过滤、蒸发浓缩、结晶(部分采用多次结晶)、干燥等工序生产电池级氢氧化锂 ;盐湖的成熟工艺是首先生产碳酸锂、再苛化生产氢氧化锂,盐湖提锂虽然资源丰富,但由于盐湖提锂本身的杂质含量较多,且技术通用性查,加上盐湖提锂企业倾向于将高品质的碳酸锂产品直接外售,将工业级(或次优)的碳酸锂作为原料用于后端氢氧化锂的生产,这将导致其氢氧化锂产品的品质、一致性难以得到保障;盐湖提锂企业也在积极试验卤水电解生产氢氧化锂的工艺,但在批量生产中,其工艺成熟度和产品品质依然有待观察和验证。

矿石提锂生产氢氧化锂常用的生产方法主要有碳酸锂和氢氧化钙法、煅烧法、硫酸锂法等。碳酸锂和氢氧化钙法生产工艺可以得到浓度约 3.5% 的溶液,若比此浓度高,由于氢氧化锂的存在,碳酸锂的溶解度下降残留于碳酸钙残渣中而造成损失。煅烧法缺点是镁的使用使得工艺流程复杂,设备腐蚀严重,蒸发水量大,能耗高。硫酸锂法生产氢氧化锂回收率较高,可连续生产,并能实现自动化控制,产品性能稳定,生产成本低,是目前我国主要的生产方法。

硫酸锂法工艺以天然锂精矿 (α 型 ) 为原料,先通过回转窑焙烧使 α- 锂精矿转化为易与硫酸反应的 β- 锂精矿,然后通过硫酸法将锂精矿中的锂元素提取出来,加水制浆浸出,使固态硫酸锂变为液态,加入石灰粉和碳酸钙调节 pH 值,过滤出铁、钙、镁等杂质,再通过加入碳酸钠和进行离子交换进一步去除钙之后,将硫酸锂浸出液适当蒸发浓缩,加入氢氧化钠后,通过冷却到 -5℃~ -15℃分离出十水硫酸钠,将分离后母液蒸发浓缩结晶出粗品单水氢氧化锂,最后通过重结晶的方式得到精品单水氢氧化锂。

其基本原理主要是利用 Na2SO4 与 LiOH在低温下溶解度不同,采用低温分离出 Na2SO4,达到净化液体的目的。主要反应方程式如下 :

α-Li2OAl2O34SiO2→ β-Li2OAl2O34SiO2

Li2OAl2O34SiO2+H2SO4→ Li2SO4+H2OAl2O34SiO2

Li2SO4+2NaOH+10H2O→ 2LiOH+Na2SO410H2O

氢氧化锂生产工艺流程

氢氧化锂生产工艺流程.png

结语

本文结合氢氧化锂的生产情况,介绍了当前氢氧化锂生产的主流工艺及成本分析。随着市场对新能源汽车续航能力、行驶里程的要求不断提高,导致对动力电池能量密度的要求也越来越高,走高镍化三元路线已经逐渐成为主流车企的共同选择。高镍三元材料需求的增长将直接带动氢氧化锂需求的增长,企业必须持续不断的坚持降本增效,不断降低产品成本,提升产品品质,具体表现为 :在资源、资本、人员、生产线、销售和技术、投资等方面进行国际化战略布局,同时坚持贴近市场、引导市场可持续健康平稳发展 ;坚持高端化、差异化产品取向,持续优化生产工艺,努力提升产品品质 ;坚持聚焦前沿行业技术方向,不断挖掘现有生产线产能潜力,加快新技术、新设备、新工艺的自主研发和储备,实现由单纯的锂加工制造业务向集锂资源储备、开发和贸易以及锂系列产品加工为一体的转变,产业链向上下游延伸、价值链向高端攀升,核心竞争力进一步增强。


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