磷酸鐵鋰正極材料項目節能減排分析

楊春梅,黎曉彬,劉鯡,馮遠春,王丹,楊昉,涂勇

(四川誠志節能科技有限公司,四川 成都 610058)

磷酸鐵鋰(簡稱LFP),化學式為LiFePO4,少數稱磷酸鋰鐵、鐵鋰等。磷酸鐵鋰多用于各種鋰離子電池,在自然界中以磷鐵鋰礦的形式存在,具有有序的橄欖石結構,與其他鋰電池正極材料相比,磷酸鐵鋰在安全性、成本、環保、高溫性能、循環性能方面具有突出優勢,是最具潛力的鋰離子電池正極材料之一。目前,磷酸鐵鋰電池的應用十分廣泛,已滲透到民用和軍用等多個領域。主要包括交通動力電源、啟動電源、儲存電源、航天軍工電源等方面[1]。

受益于新能源和儲能行業的發展,磷酸鐵鋰產品需求旺盛,據鑫欏資訊統計數據顯示,截至2022年9月,國內現有建成的磷酸鐵鋰產能達到了215.8萬t,相較于2021年末的89.8萬t,增長140.3%;其中以四川、云南、湖北、貴州四省產能水平位居國內前列,占比接近70%[2]。基于本司磷酸鐵鋰咨詢案例,對磷酸鐵鋰項目如何落實節能減排進行了以下分析。

1 主流生產工藝及成本結構

1.1 主流生產工藝[3-6]

磷酸鐵鋰正極材料主流制備工藝可分為固相法和液相法兩大路線,固相法主要有碳熱還原法、高溫固相法等;液相法主要有水熱法、溶膠﹣凝膠法、共沉淀法等[4-6]。

固相法將鐵源、磷源、鋰源通過機械研磨均勻后再高溫煅燒碳包覆制備磷酸鐵鋰;液相法將原材料在液體中混合,利用自發熱制備成凝膠前驅體后燒結制備磷酸鐵鋰。固相合成法使用的鐵源一般為草酸亞鐵、氧化鐵、磷酸鐵等;鋰源一般為碳酸鋰、氫氧化鋰等;磷源一般為磷酸-二氫銨、磷酸氫二銨等。由于原材料種類較多,因此固相法的關鍵是原材料混合時必須均勻,液相法主要使初始原料在分子水平上的混合和獲得的前驅體更均勻,比起固相合成法優勢顯著。

目前工業化主流工藝路線,主要包括:草酸亞鐵工藝、鐵紅工藝、全濕法工藝(屬于液相法)和磷酸鐵工藝四種工藝路線。固相法和液相法在工業生產中均有應用,各有優劣。總體上說,固相法是目前最成熟、應用最廣的磷酸鐵鋰合成方法,工藝相對簡單,技術成熟,可大規模生產,但有技術壁壘較低、產品均一性較差、產物電化學性能偏低等缺點。液相法工藝難度較大,目前僅有德方納米與北大先行實現了工業量產。德方納米開發的具有自主知識產權的自熱蒸發納米合成磷酸鐵鋰技術結合了不同液相法的工藝特點[5-7],首先在溫和條件下反應得到納米磷酸鐵鋰顆粒,之后在高溫條件下對其焙燒并進行碳包覆,該工藝得到的納米磷酸鐵鋰,顆粒尺寸小,產品均一性好。北大先行采用的則是傳統液相法,優化了燒結工藝,生產品質較好,工藝復雜。

1.2 成本結構[5-6,8]

磷酸鐵鋰成本和性能主要取決于前驅體的材料體系和制備工藝,工藝路徑決定了生產成本及其降本潛力。從工藝路徑對比來看,差異化主要體現在原材料、產品品質、能耗、 三廢排放等方面,其中成本差異主要體現在原材料成本和能耗成本差異,不同工藝的選擇會帶來成本明顯分層。據德方納米招股說明書,以碳酸鋰和前驅體為主的原材料占總成本比例達70%,降低原材料成本是降低磷酸鐵鋰成本的關鍵。原材料成本取決于上游鋰源、磷源、鐵源等,據各公司公告,磷酸鐵鋰正極材料成本中,原材料占比超過80%,其中鋰源占比超70%、磷源占比超10%[6]。原材料占比較高,原料布局是產業未來降本的重要發展方向。此外,電費、水費等能源成本也是重要構成部分,主要取決于項目所在地區區位,例如云南地區大工業用電單價較低,使德方納米位于云南曲靖基地享有較低的用電成本。

2 磷酸鐵鋰項目節能減排路徑

磷酸鐵鋰項目需從前期咨詢、規劃設計、建設施工、生產運營、技術改造等實施過程進行項目全生命周期節能減排,統籌成本及自身應用場景,選用先進生產工藝路線,本文結合本司在磷酸鐵鋰項目上的咨詢經驗,對磷酸鐵鋰項目節能減排路徑進行了以下分析。

2.1 項目選址

嚴格落實選址節能評估分析,選址地理位置優越,靠近所需原材料供應地,運輸便捷,能源供應有保障且流線短,有助于節能減排。西南地區擁有我國最豐富的鋰和磷資源,這對于鋰電企業供應鏈配套至關重要,西南地區的資源、政策優勢聚集起大批鋰電企業。

四川擁有國內較好的鋰礦資源、豐富的水電、磷鐵資源,在雙碳背景下,憑借得天獨厚的礦產、土地、人才資源和相關配套成本優勢,寧德時代、廈鎢新能、湖南裕能、萬華化學、川發龍蟒、協鑫鋰電等知名企業磷酸鐵鋰項目落戶四川。

2.2 工藝及技術方案比選[6]

磷酸鐵鋰生產工藝決定了項目能耗和節能減排的方向。各生產企業結合建設運營成本,綜合考量市場和項目實施單位實際情況,選用適合自身條件的先進生產工藝技術方案,有利于節能減排和企業發展。

在固相法生產工藝案例方面,本司合作企業天原鋰電新材有限公司同科研院所合作進行技術創新,選用改進的磷酸鐵+固相法生產工藝,該工藝具有成熟可控、產品性能優良、正極材料克容量和壓實密度優異等優點的同時,對磷酸鐵鋰細混工序進行技術升級,使其固含量由目前 35%提高至50%,使得后續干燥、燒結階段停留時間減少,用能可降低約30%;本司合作企業協鑫鋰電獨家創新固相法一步合成,去掉了前驅體磷酸鐵合成、提純、洗滌、壓濾閃蒸干燥等工序,工藝更簡化,原料更便宜,單體產能更大,自動化程度更高,該合成工藝中無液體原料,工藝研磨時間縮短,大大降低能耗成本。在液相法生產工藝案例方面,我司合作企業廈鎢新能源采用自主創新的液相法生產工藝,做成電池后低溫性、倍率性等性能更加優異,該技術路線制備所得的產品的電化學性能指標達到國內行業先進水平且產生少量廢水、廢氣和廢渣,環保程度高,降低了能耗和成本。

在磷酸鐵鋰賽道上,若企業能夠在鋰源/鐵源/碳源/磷源上把握關鍵資源、自主研發,掌握成熟、安全可靠的工業化工藝路線,生產出比主流磷酸鐵鋰性能更加優異的磷酸鐵鋰材料,對比現在主流工藝路線,在成本、能耗、安全性、規模化上更具優勢,更符合節能減排理念。

2.3 主要用能工序分析

分析用能工序,找出主要用能工序并進行優化將有助于節能減排。磷酸鐵鋰項目用能工序因生產工藝不同而不同,固相法用能工序通常包括原料準備、研磨、噴霧干燥、窯爐燒結、粉碎及后處理等工序。

固相法工藝中,關鍵是原材料混合時必須均勻,本司合作企業采用的固相法主要用能工序包括投料、預混、噴霧干燥、燒結以及破碎后處理等,其中主要用能工藝為噴霧干燥、燒結工序。噴霧干燥工序能耗占項目綜合能耗的比例約37%～45.30%,燒結工序能耗占綜合能耗比例約為21%～31%。

德方納米液相法主要包括原材料混合、前驅體制備、初碎、造粒、燒結、粉碎、除鐵、成品包裝等工序,據相關項目節能報告審查意見,其主要用能工序為燒結工序。德方納米液相法將原材料在液體中混合,利用自發熱制備成前驅體,同時因顆粒納米化也無需球磨等工序,而通常固相法在制備前驅體過程中,需要反復研磨、分選、噴霧干燥等工序混合原材料,過程相對繁瑣、能耗相對較高。此外,在進行破碎干燥和燒結等后續工藝時,液相法燒結溫度為 650～680 ℃,而固相法燒結溫度更高為 700～730 ℃[9]。

本司合作企業廈鎢新能源采用自主研發液相法,用能工藝包括原料準備、破碎、洗滌、細磨、乳化、高壓反應、包覆、噴霧干燥、燒結、包裝等工序。項目主要用能工序為細磨、高壓反應、噴霧干燥、燒結、氣碎包裝工序,主要用能工序能耗占項目綜合能耗的比例約84%,項目工藝用能占整個項目綜合能耗的90%以上。

因此無論是固相法還是液相法,優化主要用能工序耗能是節能減排的重點。

2.4 主要用能設備

工藝不同,設備選型則不同,主要用能設備不同。據本司咨詢數據:采用固相法,通常主要用能設備有砂磨機、干燥裝置、輥道窯、氣流磨等工藝設備及變壓器、冷水機組、空壓機、各類風機水泵、電機等公輔設備;德方納米液相法主要用能設備有造粒機、輥道窯、砂磨機、氣流磨等工藝設備及蒸發裝置、變壓器、空壓機、各類水泵電機等公輔設備;廈鎢新能源自主研發液相法,主要用能設備包括反應釜、粉碎機、砂磨機、乳化機、燒結爐、氣流磨、干燥機等工藝設備及空壓機、冷水機組、MVR壓縮機、各類水泵電機等公輔設備。

優化主要用能設備,根據項目生產規模和工藝要求,嚴格落實設備選型原則,按照《重點用能產品設備能效先進水平、節能水平和準入水平(2022年版)》要求,選用達到先進、節能水平要求的耗能設備。優先采用《國家重點節能低碳技術推廣目錄》及其他推薦目錄中的節能技術、生產工藝和用能設備將有助于節能減排。

2.5 其他方面

工藝不同,其涉及節能減排的路線則不同。優質鋰源/鐵源/碳源/磷源等原材料,將有助于生產節能,同時減少后期三廢處理能耗。如選用雜質少、純度高的鐵礦粉可以直接與其他原材料進行高度活化、混合攪拌,減少后期三廢處理能耗。

針對不同工藝結合成本,設計統籌選用技術先進、節能、自動化智能化水平較高的工藝路線及節能型設備,融合能效評估、余熱利用、在線監測等技術手段將有助于節能減排。

2.6 磷酸鐵鋰項目能耗水平

結合本司咨詢經驗及發改委節能報告審查意見,對近年來采用固相法和液相法的磷酸鐵鋰項目能效水平進行對比分析,其能效水平被認為處于國內行業先進水平的部分項目單位產品綜合能耗(包括前驅體和后續工序)見表1所示,能耗指標供相關技術人員參考。

表1 近年來部分磷酸鐵鋰項目單位產品綜合能耗

3 主要節能措施

3.1 技術節能措施

根據不同生產工藝,對工藝、建筑、電氣、暖通、給排水、自控等專業系統進行全面分析,采取有效合理的技術節能措施可降低項目能耗。

(1)優化工藝技術。協鑫鋰電采用自主研發固相一步法合成工藝,去掉了前驅體磷酸鐵合成工序,后續干燥、燒結階段停留時間減少,降低了能耗。

(2)余熱回收利用。本司磷酸鐵鋰咨詢項目利用輥道窯煙氣熱量,利用窯爐排出的尾氣對新補入窯爐中的氮氣進行預熱,降低窯爐電力消耗。對噴霧干燥尾氣和蒸汽冷凝水等也進行了余熱回收利用,降低項目能耗。

(3)優選、改良裝備。優選高效、節能、先進的生產設備,降低能耗。

(4)提高自控、智能化及能耗監測監控水平,有利于提高生產效率,降低能耗。

(5)優化相關專業節能設計,使各專業系統設計滿足相關節能設計標準規范要求。

(6)可再生能源利用。根據國家、地方可再生能源利用相關法規、政策及現行標準規范的要求,提高可再生能源利用比例。

3.2 管理節能措施

管理節能措施需從能源管理機構、人員配備、能源管理制度、能源計量及管理、能源統計及管理、設備設施維保、加強運營節能管理等方面提高節能意識、加強節能管理,嚴格按照國家現行相關政策、標準規范執行,建設能耗在線監測系統,將能耗監測數據接入重點用能單位能耗在線監測系統平臺,提高節能管理水平、挖掘能源利用改進空間,強化能源管理,政府督促指導。

4 結束語

在國家“雙碳”目標背景下, 磷酸鐵鋰項目需綜合統籌其應用條件和場景,結合自身成本,選用先進生產工藝路線。從前期項目咨詢、規劃設計、建設施工、生產運營、技術改造入手,融合能效評估、余熱利用、自動控制、在線監測等多方面技術手段多維度進行項目全生命周期節能減排,在項目實施全生命周期中全面貫徹節能減排理念,采取切實有效的節能技術和管理措施,助力“雙碳”目標。