楊春梅,黎曉彬,劉鯡,馮遠春,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]。基于本司磷酸鐵鋰咨詢案例,對磷酸鐵鋰項目如何落實節(jié)能減排進行了以下分析。

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?？傮w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行技術(shù)創(chuàng)新,選用改進的磷酸鐵+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,對磷酸鐵鋰細混工序進行技術(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)達到國內(nèi)行業(yè)先進水平且產(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、干燥裝置、輥道窯、氣流磨等工藝設(shè)備及變壓器、冷水機組、空壓機、各類風(fēng)機水泵、電機等公輔設(shè)備;德方納米液相法主要用能設(shè)備有造粒機、輥道窯、砂磨機、氣流磨等工藝設(shè)備及蒸發(fā)裝置、變壓器、空壓機、各類水泵電機等公輔設(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、砂磨機、乳化機、燒結(jié)爐、氣流磨、干燥機等工藝設(shè)備及空壓機、冷水機組、MVR壓縮機、各類水泵電機等公輔設(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)備能效先進水平、節(jié)能水平和準(zhǔn)入水平(2022年版)》要求,選用達到先進、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、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行對比分析,其能效水平被認為處于國內(nèi)行業(yè)先進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入窯爐中的氮氣進行預(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、加強運營節(jié)能管理等方面提高節(jié)能意識、加強節(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、挖掘能源利用改進空間,強化能源管理,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)。