磷酸鐵鋰正極材料項目節(jié)能減排分析

楊春梅,黎曉彬,劉鯡,馮遠(yuǎn)春,王丹,楊昉,涂勇

(四川誠志節(jié)能科技有限公司,四川 成都 610058)

磷酸鐵鋰(簡稱LFP),化學(xué)式為LiFePO4,少數(shù)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(jié)構(gòu),與其他鋰電池正極材料相比,磷酸鐵鋰在安全性、成本、環(huán)保、高溫性能、循環(huán)性能方面具有突出優(yōu)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(yīng)用十分廣泛,已滲透到民用和軍用等多個領(lǐng)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(yè)的發(fā)展,磷酸鐵鋰產(chǎn)品需求旺盛,據(jù)鑫欏資訊統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,截至2022年9月,國內(nèi)現(xiàn)有建成的磷酸鐵鋰產(chǎn)能達(dá)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(chǎn)能水平位居國內(nèi)前列,占比接近70%[2]?；诒舅玖姿徼F鋰咨詢案例,對磷酸鐵鋰項目如何落實節(jié)能減排進(jìn)行了以下分析。

1 主流生產(chǎn)工藝及成本結(jié)構(gòu)

1.1 主流生產(chǎn)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(jī)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(fā)熱制備成凝膠前驅(qū)體后燒結(jié)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(guān)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(qū)體更均勻,比起固相合成法優(yōu)勢顯著。

目前工業(yè)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(yè)生產(chǎn)中均有應(yīng)用,各有優(yōu)劣。總體上說,固相法是目前最成熟、應(yīng)用最廣的磷酸鐵鋰合成方法,工藝相對簡單,技術(shù)成熟,可大規(guī)模生產(chǎn),但有技術(shù)壁壘較低、產(chǎn)品均一性較差、產(chǎn)物電化學(xué)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(xiàn)了工業(yè)量產(chǎn)。德方納米開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自熱蒸發(fā)納米合成磷酸鐵鋰技術(shù)結(jié)合了不同液相法的工藝特點[5-7],首先在溫和條件下反應(yīng)得到納米磷酸鐵鋰顆粒,之后在高溫條件下對其焙燒并進(jìn)行碳包覆,該工藝得到的納米磷酸鐵鋰,顆粒尺寸小,產(chǎn)品均一性好。北大先行采用的則是傳統(tǒng)液相法,優(yōu)化了燒結(jié)工藝,生產(chǎn)品質(zhì)較好,工藝復(fù)雜。

1.2 成本結(jié)構(gòu)[5-6,8]

磷酸鐵鋰成本和性能主要取決于前驅(qū)體的材料體系和制備工藝,工藝路徑?jīng)Q定了生產(chǎn)成本及其降本潛力。從工藝路徑對比來看,差異化主要體現(xiàn)在原材料、產(chǎn)品品質(zhì)、能耗、 三廢排放等方面,其中成本差異主要體現(xiàn)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(jù)德方納米招股說明書,以碳酸鋰和前驅(qū)體為主的原材料占總成本比例達(dá)70%,降低原材料成本是降低磷酸鐵鋰成本的關(guān)鍵。原材料成本取決于上游鋰源、磷源、鐵源等,據(jù)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(chǎn)業(yè)未來降本的重要發(fā)展方向。此外,電費、水費等能源成本也是重要構(gòu)成部分,主要取決于項目所在地區(qū)區(qū)位,例如云南地區(qū)大工業(yè)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(jié)能減排路徑

磷酸鐵鋰項目需從前期咨詢、規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、生產(chǎn)運營、技術(shù)改造等實施過程進(jìn)行項目全生命周期節(jié)能減排,統(tǒng)籌成本及自身應(yīng)用場景,選用先進(jìn)生產(chǎn)工藝路線,本文結(jié)合本司在磷酸鐵鋰項目上的咨詢經(jīng)驗,對磷酸鐵鋰項目節(jié)能減排路徑進(jìn)行了以下分析。

2.1 項目選址

嚴(yán)格落實選址節(jié)能評估分析,選址地理位置優(yōu)越,靠近所需原材料供應(yīng)地,運輸便捷,能源供應(yīng)有保障且流線短,有助于節(jié)能減排。西南地區(qū)擁有我國最豐富的鋰和磷資源,這對于鋰電企業(yè)供應(yīng)鏈配套至關(guān)重要,西南地區(qū)的資源、政策優(yōu)勢聚集起大批鋰電企業(yè)。

四川擁有國內(nèi)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(chǎn)、土地、人才資源和相關(guān)配套成本優(yōu)勢,寧德時代、廈鎢新能、湖南裕能、萬華化學(xué)、川發(fā)龍蟒、協(xié)鑫鋰電等知名企業(yè)磷酸鐵鋰項目落戶四川。

2.2 工藝及技術(shù)方案比選[6]

磷酸鐵鋰生產(chǎn)工藝決定了項目能耗和節(jié)能減排的方向。各生產(chǎn)企業(yè)結(jié)合建設(shè)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(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù)方案,有利于節(jié)能減排和企業(yè)發(fā)展。

在固相法生產(chǎn)工藝案例方面,本司合作企業(yè)天原鋰電新材有限公司同科研院所合作進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,選用改進(jìn)的磷酸鐵+固相法生產(chǎn)工藝,該工藝具有成熟可控、產(chǎn)品性能優(yōu)良、正極材料克容量和壓實密度優(yōu)異等優(yōu)點的同時,對磷酸鐵鋰細(xì)混工序進(jìn)行技術(shù)升級,使其固含量由目前 35%提高至50%,使得后續(xù)干燥、燒結(jié)階段停留時間減少,用能可降低約30%;本司合作企業(yè)協(xié)鑫鋰電獨家創(chuàng)新固相法一步合成,去掉了前驅(qū)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(chǎn)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(chǎn)工藝案例方面,我司合作企業(yè)廈鎢新能源采用自主創(chuàng)新的液相法生產(chǎn)工藝,做成電池后低溫性、倍率性等性能更加優(yōu)異,該技術(shù)路線制備所得的產(chǎn)品的電化學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)行業(yè)先進(jìn)水平且產(chǎn)生少量廢水、廢氣和廢渣,環(huán)保程度高,降低了能耗和成本。

在磷酸鐵鋰賽道上,若企業(yè)能夠在鋰源/鐵源/碳源/磷源上把握關(guān)鍵資源、自主研發(fā),掌握成熟、安全可靠的工業(yè)化工藝路線,生產(chǎn)出比主流磷酸鐵鋰性能更加優(yōu)異的磷酸鐵鋰材料,對比現(xiàn)在主流工藝路線,在成本、能耗、安全性、規(guī)模化上更具優(yōu)勢,更符合節(jié)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(jìn)行優(yōu)化將有助于節(jié)能減排。磷酸鐵鋰項目用能工序因生產(chǎn)工藝不同而不同,固相法用能工序通常包括原料準(zhǔn)備、研磨、噴霧干燥、窯爐燒結(jié)、粉碎及后處理等工序。

固相法工藝中,關(guān)鍵是原材料混合時必須均勻,本司合作企業(yè)采用的固相法主要用能工序包括投料、預(yù)混、噴霧干燥、燒結(jié)以及破碎后處理等,其中主要用能工藝為噴霧干燥、燒結(jié)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(jié)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(qū)體制備、初碎、造粒、燒結(jié)、粉碎、除鐵、成品包裝等工序,據(jù)相關(guān)項目節(jié)能報告審查意見,其主要用能工序為燒結(jié)工序。德方納米液相法將原材料在液體中混合,利用自發(fā)熱制備成前驅(qū)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(qū)體過程中,需要反復(fù)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(jìn)行破碎干燥和燒結(jié)等后續(xù)工藝時,液相法燒結(jié)溫度為 650～680 ℃,而固相法燒結(jié)溫度更高為 700～730 ℃[9]。

本司合作企業(yè)廈鎢新能源采用自主研發(fā)液相法,用能工藝包括原料準(zhǔn)備、破碎、洗滌、細(xì)磨、乳化、高壓反應(yīng)、包覆、噴霧干燥、燒結(jié)、包裝等工序。項目主要用能工序為細(xì)磨、高壓反應(yīng)、噴霧干燥、燒結(jié)、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(yōu)化主要用能工序耗能是節(jié)能減排的重點。

2.4 主要用能設(shè)備

工藝不同,設(shè)備選型則不同,主要用能設(shè)備不同。據(jù)本司咨詢數(shù)據(jù):采用固相法,通常主要用能設(shè)備有砂磨機(jī)、干燥裝置、輥道窯、氣流磨等工藝設(shè)備及變壓器、冷水機(jī)組、空壓機(jī)、各類風(fēng)機(jī)水泵、電機(jī)等公輔設(shè)備;德方納米液相法主要用能設(shè)備有造粒機(jī)、輥道窯、砂磨機(jī)、氣流磨等工藝設(shè)備及蒸發(fā)裝置、變壓器、空壓機(jī)、各類水泵電機(jī)等公輔設(shè)備;廈鎢新能源自主研發(fā)液相法,主要用能設(shè)備包括反應(yīng)釜、粉碎機(jī)、砂磨機(jī)、乳化機(jī)、燒結(jié)爐、氣流磨、干燥機(jī)等工藝設(shè)備及空壓機(jī)、冷水機(jī)組、MVR壓縮機(jī)、各類水泵電機(jī)等公輔設(shè)備。

優(yōu)化主要用能設(shè)備,根據(jù)項目生產(chǎn)規(guī)模和工藝要求,嚴(yán)格落實設(shè)備選型原則,按照《重點用能產(chǎn)品設(shè)備能效先進(jìn)水平、節(jié)能水平和準(zhǔn)入水平(2022年版)》要求,選用達(dá)到先進(jìn)、節(jié)能水平要求的耗能設(shè)備。優(yōu)先采用《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》及其他推薦目錄中的節(jié)能技術(shù)、生產(chǎn)工藝和用能設(shè)備將有助于節(jié)能減排。

2.5 其他方面

工藝不同,其涉及節(jié)能減排的路線則不同。優(yōu)質(zhì)鋰源/鐵源/碳源/磷源等原材料,將有助于生產(chǎn)節(jié)能,同時減少后期三廢處理能耗。如選用雜質(zhì)少、純度高的鐵礦粉可以直接與其他原材料進(jìn)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(jié)合成本,設(shè)計統(tǒng)籌選用技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能、自動化智能化水平較高的工藝路線及節(jié)能型設(shè)備,融合能效評估、余熱利用、在線監(jiān)測等技術(shù)手段將有助于節(jié)能減排。

2.6 磷酸鐵鋰項目能耗水平

結(jié)合本司咨詢經(jīng)驗及發(fā)改委節(jié)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(jìn)行對比分析,其能效水平被認(rèn)為處于國內(nèi)行業(yè)先進(jìn)水平的部分項目單位產(chǎn)品綜合能耗(包括前驅(qū)體和后續(xù)工序)見表1所示,能耗指標(biāo)供相關(guān)技術(shù)人員參考。

表1 近年來部分磷酸鐵鋰項目單位產(chǎn)品綜合能耗

3 主要節(jié)能措施

3.1 技術(shù)節(jié)能措施

根據(jù)不同生產(chǎn)工藝,對工藝、建筑、電氣、暖通、給排水、自控等專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析,采取有效合理的技術(shù)節(jié)能措施可降低項目能耗。

(1)優(yōu)化工藝技術(shù)。協(xié)鑫鋰電采用自主研發(fā)固相一步法合成工藝,去掉了前驅(qū)體磷酸鐵合成工序,后續(xù)干燥、燒結(jié)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(bǔ)入窯爐中的氮氣進(jìn)行預(yù)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(jìn)行了余熱回收利用,降低項目能耗。

(3)優(yōu)選、改良裝備。優(yōu)選高效、節(jié)能、先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備,降低能耗。

(4)提高自控、智能化及能耗監(jiān)測監(jiān)控水平,有利于提高生產(chǎn)效率,降低能耗。

(5)優(yōu)化相關(guān)專業(yè)節(jié)能設(shè)計,使各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計滿足相關(guān)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

(6)可再生能源利用。根據(jù)國家、地方可再生能源利用相關(guān)法規(guī)、政策及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,提高可再生能源利用比例。

3.2 管理節(jié)能措施

管理節(jié)能措施需從能源管理機(jī)構(gòu)、人員配備、能源管理制度、能源計量及管理、能源統(tǒng)計及管理、設(shè)備設(shè)施維保、加強(qiáng)運營節(jié)能管理等方面提高節(jié)能意識、加強(qiáng)節(jié)能管理,嚴(yán)格按照國家現(xiàn)行相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行,建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng),將能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)接入重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺,提高節(jié)能管理水平、挖掘能源利用改進(jìn)空間,強(qiáng)化能源管理,政府督促指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

在國家“雙碳”目標(biāo)背景下, 磷酸鐵鋰項目需綜合統(tǒng)籌其應(yīng)用條件和場景,結(jié)合自身成本,選用先進(jìn)生產(chǎn)工藝路線。從前期項目咨詢、規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、生產(chǎn)運營、技術(shù)改造入手,融合能效評估、余熱利用、自動控制、在線監(jiān)測等多方面技術(shù)手段多維度進(jìn)行項目全生命周期節(jié)能減排,在項目實施全生命周期中全面貫徹節(jié)能減排理念,采取切實有效的節(jié)能技術(shù)和管理措施,助力“雙碳”目標(biāo)。