杜 文，王君雷，徐運飛，李世龍，王 昆

（天津大學先進內(nèi)燃動力全國重點實驗室，天津 300354）

鋰離子動力電池因能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電小、能源利用效率高等優(yōu)點，在電動汽車領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景。2014—2022 年，中國動力電池產(chǎn)量/產(chǎn)銷量與電動汽車用戶滲透率持續(xù)增長，鋰離子電池產(chǎn)量從20 GWh 增加至750 GWh，新能源汽車銷售量從7.5 萬輛增加至688.7 萬輛。2022年全球動力電池需求增長約65%，預計2030年電池需求超過3 TWh，這也將刺激正極材料市場的快速擴張[1-3]。受生產(chǎn)條件、原料價格、供需關(guān)系等因素的影響，正極材料約占鋰離子電池制造成本的30%～35%[4]，是影響電池價格的主要因素。

商業(yè)化的動力電池正極材料主要有三元正極材料和磷酸鐵鋰兩類，其中三元正極材料[LiNixCoyMn(1-x-y)O2]因其卓越的能量密度、倍率性能和耐低溫能力[5]，在全球動力電池市場居于主導地位[3]。依據(jù)鎳含量高低，可將三元正極材料分為低鎳三元(鎳含量<60%)和高鎳三元正極材料(鎳含量≥60%)。高鎳三元正極材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)的比容量高、低溫性能穩(wěn)定、鈷含量低、原料成本低[6]，是極具開發(fā)價值的高性能鋰離子電池正極材料之一。當前，NCM811材料的主流生產(chǎn)工藝為共沉淀法和高溫固相法，前者合成設(shè)備和步驟繁多、提純困難且伴有廢液副產(chǎn)物，后者合成溫度高、時間長、能耗大。

火焰噴霧熱解法作為一種新型的納米材料生產(chǎn)技術(shù)，有望解決傳統(tǒng)方法面臨的挑戰(zhàn)。其主要流程是將前驅(qū)體溶液霧化成微米級小液滴，隨后引入燃燒器提供的火焰高溫場中。借助火焰場高溫度、大溫降、極短停留時間的特性，火焰噴霧熱解法可一步制備雜質(zhì)少、粒度均勻的高鎳三元正極材料，且設(shè)備簡單、耗時短、無液相副產(chǎn)物、成本低、易于工業(yè)化放大。

近幾十年來，火焰噴霧熱解技術(shù)迅速發(fā)展，在眾多領(lǐng)域展示了良好的應用前景，包括催化劑、傳感器、電池、牙科、生物醫(yī)學等領(lǐng)域[7]。本文關(guān)注電池材料領(lǐng)域，尤其鋰離子電池材料和鈉離子電池材料[8-10]的制備近些年來也逐漸成為火焰噴霧熱解的研究熱點，其中鋰離子電池的研究包括三元正極材料[11-12]、LiMn2O4材料[13-14]、LiFePO4材料[15-16]。在三元正極材料方面，Yamada 等人[17]研制了高產(chǎn)率的大火焰型噴霧熱解燃氣燃燒器，其能以2 kg/h的速率連續(xù)250 h 生產(chǎn)NCM333 正極材料。Ogihara等人[18]的研究表明火焰噴霧熱解法可以生產(chǎn)性能優(yōu)異的NCM 正極材料，并驗證了應用該工藝進行每月2000 公斤級生產(chǎn)的可行性。Oljaca 等人[19]應用火焰噴霧熱解法制備了NCM333，其實驗結(jié)果表明火焰噴霧熱解法制備的小粒徑和顆粒內(nèi)孔隙率高的NCM 材料在高放電速率下具有更好的倍率性能。Zhang 等人[20-21]開發(fā)了以生物質(zhì)甘油為燃料的火焰輔助噴霧熱解方法，并成功制備了NCM333 和NCA 材料，NCM333 和NCA 材料在0.1 C 時的放電比容量為163.3 mAh/g 和200.2 mAh/g，在1 C下循環(huán)100 次后容量保持率為85.5%和91.5%。Abram等人[22]應用火焰合成法制備了NCM811材料并對材料的電化學性能進行了研究，材料的庫侖效率為84.3%，初始放電比容量為181 mAh/g。Zang等人[23]評估了火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM333三元正極材料的經(jīng)濟可行性，通過盈虧平衡分析，確定火焰噴霧熱解法的正極材料最低售價為19.1 USD/kg，比傳統(tǒng)共沉淀法低17%。上述研究成果表明，火焰噴霧熱解法生產(chǎn)高鎳三元正極材料具有較高的工藝可行性和經(jīng)濟價值。

目前國內(nèi)仍缺乏火焰噴霧熱解法生產(chǎn)高鎳三元正極材料的可行性研究。針對此問題，本文結(jié)合國內(nèi)實際，開展了火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM811材料的技術(shù)經(jīng)濟分析，并與傳統(tǒng)共沉淀法進行比較。技術(shù)分析部分，對NCM811生產(chǎn)流程進行了物料平衡和能量平衡計算，確定生產(chǎn)原料、燃料和排放產(chǎn)物的質(zhì)量流量。經(jīng)濟分析部分，對NCM811生產(chǎn)項目的投資和成本費用進行估算，開展財務(wù)評價分析，計算材料最低銷售價格。最后對項目建設(shè)和生產(chǎn)過程的不確定因素進行敏感性分析，分析變動因素對正極材料最低售價的影響程度。

1 高鎳三元正極材料NCM811 的生產(chǎn)工藝簡介

1.1 火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM811

火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM811材料的工藝流程如圖1所示，可將生產(chǎn)流程劃分為混料、火焰噴霧熱解、高溫煅燒、分級粉碎、合批、除鐵和包裝共七道工序。生產(chǎn)原料包括硝酸鋰(LiNO3)、硝酸鎳[Ni(NO3)2]、硝酸鈷[Co(NO3)2]、硝酸錳[Mn(NO3)2]、尿素[CO(NH2)2]以及去離子水?；鹧鎳婌F熱解法生產(chǎn)NCM811材料項目的產(chǎn)能為18.75噸/天(6000噸/年)，本文以此生產(chǎn)規(guī)模進行后續(xù)的技術(shù)經(jīng)濟分析。

圖1 火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM811工藝流程Fig.1 Schematic of NCM811 cathode material production through flame spray pyrolysis

混料階段，金屬鹽在混料攪拌機中按Li∶Ni∶Co∶Mn 為1.1∶0.8∶0.1∶0.1 的摩爾比與去離子水混合。在80 ℃下，攪拌3 小時，最后向前驅(qū)體溶液中添加2.5%(質(zhì)量分數(shù))的尿素?；鹧鎳婌F熱解階段，前驅(qū)體溶液泵入噴嘴霧化，微米級的液滴進入燃燒器提供的高溫火焰場中。燃燒器前端為預熱段，溫度設(shè)置為175 ℃，用于蒸發(fā)液滴中的部分水分；高溫火焰場位于預熱段下游，溫度穩(wěn)定在900 ℃，液滴在高溫火焰場中進一步蒸發(fā)水分并發(fā)生成核、碰撞、聚并等物理化學反應過程生成產(chǎn)物，最后經(jīng)過濾收集獲得納米顆粒。Zhang等人[24]的研究中對尿素加入前后的NCM材料進行了XRD測試，結(jié)果表明，尿素的加入顯著減少了NCM 材料(003)和(101)峰的受熱偏移現(xiàn)象，削弱了結(jié)晶和陽離子混排對燒結(jié)條件的敏感性，僅需20 分鐘的高溫煅燒就可獲得和共沉淀法相似的層狀結(jié)構(gòu)與電化學性能。本文在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，將NCM811 的煅燒條件設(shè)置為1.5 小時、750 ℃。燃燒器以天然氣為燃料，高溫燒結(jié)采用電能。高溫燒結(jié)后的正極材料將進行粉碎處理，以達到國家標準規(guī)定的粒徑分布[25]。最后對正極粉末進行合批、磁選除鐵、計量打包成袋。

除上述生產(chǎn)設(shè)備，還需配備料倉、旋轉(zhuǎn)閥、安全篩、稱重測量系統(tǒng)、車間收塵系統(tǒng)、外軌循環(huán)線、氣力輸送系統(tǒng)和料倉破拱設(shè)備等輔助設(shè)施?？紤]到硝酸鹽的使用會生成氮氧化物，應額外購置SCR煙氣脫硝設(shè)備[26]。

1.2 傳統(tǒng)共沉淀法生產(chǎn)NCM811

以傳統(tǒng)共沉淀法作為火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM811項目的比較對象，生產(chǎn)規(guī)模與前者保持一致。共沉淀法工藝流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)共沉淀法生產(chǎn)NCM811工藝流程Fig.2 Schematic of NCM811 cathode material production from carbonate co-precipitation pathway

硫酸鎳(NiSO4)、硫酸鈷(CoSO4)和硫酸錳(MnSO4)在第一臺混合器中以Ni∶Co∶Mn 為0.8∶0.1∶0.1的摩爾比與去離子水混合，配制成硫酸鹽溶液。碳酸鈉溶液在第二臺混合器內(nèi)配制。在連續(xù)攪拌釜式反應釜(continuous stirred tank reactor，CSTR)中，來自兩臺混合器的硫酸鹽溶液與碳酸鈉溶液在pH=8的條件下反應，并在95 ℃下持續(xù)攪拌10小時[27]。完成沉淀后的漿液在分離器中實現(xiàn)液固分離，在過濾裝置中過濾數(shù)次，制得濕粉末并排出廢濾液。廢濾液經(jīng)處理后排放，濕粉末干燥處理后獲得無水前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末須在球磨機中研磨至所需粒度，隨后與碳酸鋰粉末混合送入燒結(jié)窯，在750 ℃下燒結(jié)10～12小時后進行分級粉碎處理。

除生產(chǎn)設(shè)備，項目生產(chǎn)還需要各類閥件管系、氣力輸送、流水線和收塵等輔助設(shè)施，硫酸鹽乳化池和布袋除塵設(shè)備等污染物處理設(shè)施。

2 技術(shù)經(jīng)濟分析方法

2.1 總體流程

圖3為火焰噴霧熱解法生產(chǎn)NCM811的技術(shù)經(jīng)濟分析流程。技術(shù)分析層面，通過物料平衡與能量平衡計算確定原料、燃料需求量，比較CO2排放量、生產(chǎn)用水及能源消耗量等指標，評估火焰噴霧熱解法的節(jié)能減排效果。經(jīng)濟分析層面，以動態(tài)現(xiàn)金流量折現(xiàn)法為基礎(chǔ)搭建經(jīng)濟分析模型，估算項目總投資和成本總額，編制項目現(xiàn)金流量表。依據(jù)現(xiàn)金流動數(shù)據(jù)，開展投資財務(wù)評價分析，計算材料最低銷售價格。最后對項目經(jīng)濟參數(shù)開展敏感性分析，確定影響材料最低銷售價格的敏感因素。

圖3 技術(shù)經(jīng)濟分析流程Fig.3 Flow chart of the techno-economic analysis

2.2 技術(shù)分析方法

技術(shù)分析的目的是確定生產(chǎn)過程中的原料、燃料、產(chǎn)品和排放產(chǎn)物的質(zhì)量流量。首先，通過物料平衡計算單批生產(chǎn)的原料需求和排放產(chǎn)物。隨后，對燃燒器進行熱平衡計算，計算火焰噴霧熱解的天然氣消耗量和燃料燃燒的CO2排放量。

考慮到原料鹽含有雜質(zhì)，物料平衡計算時假設(shè)雜質(zhì)含量在行業(yè)標準[28-31]的限定范圍內(nèi)。此外，實際正極材料生產(chǎn)中存在鋰的受熱揮發(fā)現(xiàn)象，揮發(fā)量隨溫度的升高呈指數(shù)上升，故鋰鹽需過量加入?；鹧鎳婌F熱解法和傳統(tǒng)共沉淀法的鋰過量分別設(shè)定為10%和5%，這是因為前者生產(chǎn)過程涉及高溫，鋰揮發(fā)造成的損失相對較多。

燃燒器熱平衡計算包括熱解生成NCM811的反應焓變、前驅(qū)體溶液蒸發(fā)潛熱、空氣受熱升溫，以及廢氣余熱。NCM811 在燃燒器內(nèi)的合成溫度為900 ℃，燃燒器熱效率為85%，整個火焰合成過程涉及的熱解反應方程式如表1 所示。根據(jù)文獻[32]的鎳鈷錳酸鋰熱力學模型，計算得出NCM811的標準摩爾生成焓ΔHθf,298=-695.67 kJ/mol，定壓比熱容cp,298= 75.72 J/(mol·K)， 以 及 不 同 溫 度 下NCM811的定壓比熱容的計算式，如式(1)所示：

表1 燃燒器內(nèi)熱解反應Table 1 Pyrolysis reactions in the combustor

式中，T為材料溫度，單位K。應用焓變與溫度的基爾霍夫關(guān)系式，如式(2)所示：

式中，T為NCM811 的生成溫度，單位K；ΔfHm(298 K)為標準狀態(tài)下的焓變；Δfcp,m為室溫(298 K)升至溫度T過程中，體系的恒壓熱容變化。生成物生成焓的總量減去反應物生成焓的總量即可獲得NCM811的反應焓變。計算結(jié)果顯示，火焰噴霧熱解法生產(chǎn)1噸NCM811需要向燃燒器提供液化天然氣1.6噸。

共沉淀法的耗能集中在燒結(jié)階段，本文參考三元鋰離子動力電池系統(tǒng)全生命周期的研究成果[33]估算采用共沉淀法生產(chǎn)NCM811的能源消耗，其能耗滿足三元正極材料綠色產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范的限額標準[34-35]。

2.3 經(jīng)濟分析方法

經(jīng)濟分析從項目總投資和成本總額的估算入手，隨后基于動態(tài)現(xiàn)金流量折現(xiàn)法開展項目投資財務(wù)分析[36]，計算出盈虧平衡售價，并與市場價格進行比較。

項目總投資包含建設(shè)投資、建設(shè)期利息和流動資金三部分，其組成見圖4。流動資金依據(jù)擴大指標法[37]，按建設(shè)投資的20%估算。建設(shè)期利息是因建設(shè)期內(nèi)使用債務(wù)資金產(chǎn)生的，債務(wù)資金為流動資金和建設(shè)投資之和的20%。因此，項目總投資的估算應從建設(shè)投資開始。

圖4 項目總投資組成Fig.4 Composition of the total investment

工程費用方面，設(shè)備購置費用估算以滿足正常生產(chǎn)為要求，參考國內(nèi)正極材料生產(chǎn)企業(yè)的投資可行性報告[38-40]和設(shè)備生產(chǎn)商的銷售報價確定?？紤]到火焰噴霧熱解法還沒有應用于工業(yè)生產(chǎn)的燃燒器設(shè)備，以商業(yè)化的直燃式燃氣熱風爐為參照選型進行估算，并投入火焰噴霧熱解階段的全套設(shè)備購置額的150%用于設(shè)計研發(fā)，研發(fā)費用計入當年經(jīng)營成本，項目主要設(shè)備見表2。建筑工程費用采用生產(chǎn)規(guī)模指數(shù)法進行估算[37]。安裝工程費用包括機電設(shè)備裝配和廠房系統(tǒng)設(shè)施安裝，具體應結(jié)合住建部相關(guān)標準，按安裝費率和單位安裝實物工程量的費用估算[41]。

表2 主要設(shè)備Table 2 Main equipment

工程建設(shè)其他費用包括土地使用、投標、勘察、監(jiān)管、聯(lián)調(diào)聯(lián)試等費用，參考國內(nèi)近3 年的正極材料項目建設(shè)情況，項目需規(guī)劃工業(yè)4級用地25畝(1畝≈666.667 m2)，其余費用可參考概算定額估算。

預備費包括基本預備費和漲價預備費?；绢A備費以建設(shè)安裝工程費用、設(shè)備購置費用及工程建設(shè)其他費用之和作為計算基礎(chǔ)[42]，其公式如式(3)所示：

漲價預備費以建筑安裝工程費和設(shè)備購置費用之和作為計算基礎(chǔ)，并以平均上漲指數(shù)計算。其公式如式(4)所示：

式中，PC 為漲價預備費；It為第t年的建筑安裝工程費用與設(shè)備購置費用之和；f為建設(shè)期內(nèi)平均價格上漲指數(shù)；n為建設(shè)期。

成本總額是在運營期內(nèi)為生產(chǎn)所發(fā)生的全部費用，可分為隨產(chǎn)能變動的可變成本和不隨產(chǎn)能變動的固定成本。參考生產(chǎn)要素估算法，成本總額的計算公式如式(5)所示：

根據(jù)項目總投資和成本總額的估算值，計算出項目全生命周期的年凈現(xiàn)金流量，應用動態(tài)現(xiàn)金流量折現(xiàn)法計算該項目盈虧平衡點處材料的最低銷售價格，使項目的凈現(xiàn)值NPV為0[43]。項目凈現(xiàn)值根據(jù)公式(6)計算。

式中，t為項目的生產(chǎn)經(jīng)營年限；i為折現(xiàn)率；Rt為一個周期t內(nèi)的凈現(xiàn)金流(流入的現(xiàn)金流減去流出的現(xiàn)金流)。

項目建設(shè)計劃中，項目建設(shè)期為2年，建設(shè)期第1年完成80%的建設(shè)投資。貸款額占項目總投資的20%，貸款期限10 年，貸款名義利率4.95%?？紤]到火焰噴霧熱解法的技術(shù)風險和應用過程的不確定性，項目折現(xiàn)率為20%。固定資產(chǎn)折舊采用余額遞減法[44]，使用年限8 年，殘值率5%。項目生產(chǎn)經(jīng)營計劃中，生產(chǎn)運營期20 年，年生產(chǎn)天數(shù)為320天。項目由建設(shè)期轉(zhuǎn)入生產(chǎn)經(jīng)營期過程中設(shè)置1 年的試運營期，試運營期內(nèi)可變成本為生產(chǎn)經(jīng)營期的75%，固定成本為生產(chǎn)經(jīng)營期的100%，產(chǎn)能為生產(chǎn)經(jīng)營期的75%[45]。設(shè)備維修計劃中，每年按時進行臨修、小修和中修，維修費用按設(shè)備原值的3%計入成本；每3 年進行一次大修，維修過程中的材料和配件更換費用按設(shè)備原值的30%計入成本[46]。設(shè)備使用壽命為10年[23,27]，到期進行設(shè)備更換，并對舊設(shè)備進行回收。表3列出了詳細的財務(wù)評價計算參數(shù)。

表3 財務(wù)評價計算參數(shù)表Table 3 Parameters for the calculation of financial evaluation

3 結(jié)果分析

3.1 物料與能量平衡計算結(jié)果分析

技術(shù)分析考慮了火焰噴霧熱解法生產(chǎn)過程原料、燃料、生產(chǎn)用水的消耗，并綜合了生產(chǎn)燃料消耗和表2 主要設(shè)備電力使用的總能耗。圖5 顯示了火焰噴霧熱解法與傳統(tǒng)共沉淀法單日生產(chǎn)18.75噸NCM811 材料的原料和能源消耗及排放產(chǎn)物的比較。圖5(a)為火焰噴霧熱解法單日生產(chǎn)的資源消耗與污染物排放情況，其中Ni(NO3)2需求量最大，為28.2噸/天；液化天然氣消耗量為29.4噸/天，生產(chǎn)流程單日消耗電力42236.7 kWh。圖5(b)為傳統(tǒng)共沉淀法單日的資源消耗與污染物排放情況，其中NiSO4消耗最大，為28.2噸/天。生產(chǎn)流程單日消耗電力286204.6 kWh。

圖5 每日生產(chǎn)的原料和能源消耗及排放產(chǎn)物：(a) 火焰噴霧熱解法；(b) 傳統(tǒng)共沉淀法Fig.5 Daily materials and energy consumptions and emissions of: (a) Flame spray pyrolysis and(b) Co-precipitation pathway

與傳統(tǒng)共沉淀法的耗電量相比，火焰噴霧熱解法降低了82.7%的電力消耗?；鹧鎳婌F熱解法的能耗來源主要為電能和天然氣燃燒，經(jīng)計算，火焰噴霧熱解法生產(chǎn)的NCM811材料單位產(chǎn)品綜合能耗為2960 kgce/t(kgce/t 即kilograms consumed energy/ton，千克標準煤每噸)，優(yōu)于工信部有關(guān)鎳鈷錳酸鋰(NCM622 及以上)綠色設(shè)計產(chǎn)品評價規(guī)范的3500 kgce/t單位能耗要求[28-29]。

比較火焰噴霧熱解法與傳統(tǒng)共沉淀法的原料消耗與污染物排放情況可知，火焰噴霧熱解法在生產(chǎn)用水及能源消耗方面具有較為明顯的優(yōu)勢，在相同設(shè)備和場地條件下，火焰噴霧熱解法生產(chǎn)1 噸NCM811 正極材料可節(jié)省生產(chǎn)用水4.4 噸，降低CO2排放3.8 噸?？紤]到氮氧化物的處理，燃燒器工作時需以680 kg/h 的流量向脫硝塔注入液氨[47]?；鹧鎳婌F熱解法不存在傳統(tǒng)共沉淀法生產(chǎn)環(huán)節(jié)排放的固體和液體污染物(如Na2SO4)，未來可通過調(diào)整前驅(qū)體原料種類(如乙酸鹽)徹底消除氮氧化物排放。綜上，火焰噴霧熱解法在環(huán)境保護、提高系統(tǒng)能效等方面具有顯著優(yōu)勢。

3.2 經(jīng)濟性計算結(jié)果分析

表4為火焰噴霧熱解法進行NCM811生產(chǎn)的項目總投資情況；表5 為項目建設(shè)投資的基本情況，其中設(shè)備購置費占比46.9%，是最主要的投資支出，建筑安裝工程費用位居其次，占比30.9%。建設(shè)期貸款2691.2萬元，需支付貸款利息936.7萬元。

表4 項目總投資支出Table 4 Overview of total investment

表5 建設(shè)投資支出Table 5 Overview of construction investment

圖6顯示了火焰噴霧熱解法與傳統(tǒng)共沉淀法的建設(shè)投資成本對比。得益于更為簡單的生產(chǎn)工序和更少的生產(chǎn)設(shè)備，火焰噴霧熱解法設(shè)備購置費、建筑安裝費用分別為傳統(tǒng)共沉淀法工藝的58.9%和75.3%。在產(chǎn)能需求相同的條件下，火焰噴霧熱解法相較于傳統(tǒng)共沉淀法可減少前期投資額約33.5%。

圖6 火焰噴霧熱解法與傳統(tǒng)共沉淀法建設(shè)投資對比Fig.6 Comparison of construction investment between flame spray pyrolysis and co-precipitation pathway

項目的年成本總額見表6。在生產(chǎn)經(jīng)營過程中，因為火焰噴霧熱解法的設(shè)備簡單，利用率高，人工需求相對較少，所以人工費用、維修費用和監(jiān)管費用更低。火焰噴霧熱解法在生產(chǎn)效率上也具有較大優(yōu)勢，傳統(tǒng)方法需燒結(jié)時間10～12小時，而火焰噴霧熱解法最少可將燒結(jié)時間縮短至1～2小時。較短的燒結(jié)時間，減少了后續(xù)工序人力與設(shè)備的等待時間，極大降低了設(shè)備性能冗余，可減少一線生產(chǎn)員工約30%。圖7為火焰噴霧熱解法與傳統(tǒng)共沉淀法檢修費用的對比。在使用壽命相同的情況下，按相同的維修計劃開展日常和年度檢修，火焰噴霧熱解法非大修年、大修年和年平均維修費用比傳統(tǒng)共沉淀法低約40%?；鹧鎳婌F熱解燃燒器和CSTR承擔了前驅(qū)體到中間產(chǎn)物的制備，分別是火焰噴霧熱解法和共沉淀法的重點設(shè)備。燃燒器結(jié)構(gòu)簡單，單臺維修成本是傳統(tǒng)共沉淀法CSTR的45%。

表6 項目年成本總額Table 6 Overview of annual operating costs

圖7 火焰噴霧熱解法與傳統(tǒng)共沉淀法檢修費用對比：(a) 全部設(shè)備；(b) 關(guān)鍵設(shè)備Fig.7 Comparison of maintenance costs between flame spray pyrolysis and co-precipitation pathway:(a) Main equipment, and (b) key equipment

通過項目投資財務(wù)評價分析可知，當凈現(xiàn)值NPV = 0，火焰噴霧熱解法的NCM811最低銷售價格為221.1 CNY/kg，比市場價格低18.1%(2023年7 月上旬NCM811 均價270.0 CNY/kg)。應用火焰噴霧熱解法生產(chǎn)高鎳三元正極材料有望提升企業(yè)市場競爭力，并降低電池制造商的成本負擔。

3.3 敏感性分析

以上分析顯示，金屬硝酸鹽原材料成本占年成本總額的比例最高，因此有必要討論金屬鹽原料成本對最低銷售價格的影響。圖8(a)顯示了原料、燃料和動力費各小項的單因素敏感性分析結(jié)果，材料價格在-25%～25%的區(qū)間內(nèi)變動，結(jié)果表明鋰鹽、鎳鹽原料價格是最敏感的因素，而硝酸錳和硝酸鈷的影響較小。圖8(b)顯示了當4 種硝酸鹽價格同時降低25%時對正極材料最低售價的影響，結(jié)果表明此時火焰噴霧熱解法能以172.0 CNY/kg 的價格生產(chǎn)NCM811，其中硝酸鋰和硝酸鎳對降低NCM811最低售價的貢獻最大。

圖8 原料、燃料和動力費價格敏感性分析：(a) 原料、燃料和動力費價格單因素分析；(b) 原料價格均降低25%綜合影響Fig.8 Sensitivity analysis of raw material, fuel, and power costs: (a) Single factor analysis of raw material, fuel, and power costs, and (b) Coordinated impact of a 25% reduction in raw material prices

圖9顯示了財務(wù)評價計算參數(shù)對材料最低售價的影響。在所有的計算參數(shù)中，折現(xiàn)率是最敏感的參數(shù)，當折現(xiàn)率降低至15%時，NCM811 的最低售價可降低至216.5 CNY/kg。同時，當項目生產(chǎn)經(jīng)營期由10年延長至20年時，材料銷售單價可降低2.8 CNY/kg；當生產(chǎn)經(jīng)營期延長至30年時，銷售價格僅可降低0.4 CNY/kg，邊際收益遞減效益持續(xù)顯現(xiàn)，進一步延長生產(chǎn)經(jīng)營期的經(jīng)濟收益不明顯。此外，企業(yè)所得稅稅率也是較為敏感的因素，當企業(yè)所得稅稅率降低5%時，NCM811最低售價降低0.6 CNY/kg。

圖9 財務(wù)評價計算參數(shù)敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of parameters for the calculation of financial evaluation

通過優(yōu)化生產(chǎn)組織管理和資源投入的精細化配置，在不擴大建設(shè)投資的前提下，可使產(chǎn)能由6000 噸/年增加至最高9000 噸/年，火焰噴霧熱解法生產(chǎn)的NCM811 最低售價進一步降低至214.8 CNY/kg?；鹧鎳婌F熱解法的材料最低售價與產(chǎn)能的關(guān)系見圖10。

圖10 火焰噴霧熱解法NCM811最低售價與產(chǎn)能的關(guān)系Fig.10 Effect of NCM811 production on its price based on flame spray pyrolysis

敏感性分析結(jié)果表明，鋰鹽、鎳鹽原料成本是最敏感的因素。生產(chǎn)企業(yè)可通過優(yōu)化生產(chǎn)組織、戰(zhàn)略采購競價等方式降低生產(chǎn)成本；通過技術(shù)創(chuàng)新，提高前驅(qū)體溶液濃度、在燃燒器前端增加廢氣預熱的方式可進一步降低單位產(chǎn)品綜合能耗和制造成本。同時，采用火焰噴霧熱解法工藝生產(chǎn)NCM811，有高產(chǎn)高效、節(jié)能減排、綠色生態(tài)、環(huán)境友好的顯著優(yōu)勢，國家行業(yè)部門應在購置稅減免、企業(yè)貸款、產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)等方面給予支持，引導和鼓勵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

本研究主要目標是評估火焰噴霧熱解法生產(chǎn)高鎳三元正極材料(以NCM811為例)的技術(shù)經(jīng)濟可行性。首先開展了生產(chǎn)工藝的物料和能量平衡分析，計算生產(chǎn)過程中原料、燃料和排放產(chǎn)物的質(zhì)量流量；其次，通過項目財務(wù)評價分析，計算項目盈虧平衡點處的最低銷售價格，并與傳統(tǒng)共沉淀法比較；最后，通過敏感性分析評估和討論了材料價格、產(chǎn)能、經(jīng)濟參數(shù)對材料最低售價的影響。主要結(jié)論如下。

（1）與傳統(tǒng)共沉淀法相比，火焰噴霧熱解法生產(chǎn)1噸高鎳三元正極材料NCM811可節(jié)省29.1%生產(chǎn)用水，降低40.6%的CO2排放，生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生固液污染物。單位生產(chǎn)綜合能耗為2960 kgce/t，低于工信部綠色設(shè)計產(chǎn)品指標(≤ 3500 kgce/t)，節(jié)能減排潛力較大。

（2）與傳統(tǒng)共沉淀法相比，火焰噴霧熱解法減少5道生產(chǎn)工序，降低了設(shè)備購置費用的支出。由此，項目建設(shè)投資僅為傳統(tǒng)共沉淀法的66.5%?；鹧鎳婌F熱解法生產(chǎn)的NCM811 盈虧平衡點價格(即最低售價)為221.1 CNY/kg，是當前市場價格的81.9%。

（3）敏感性分析結(jié)果表明，鋰鹽和鎳鹽價格是材料最低售價的最敏感的因素。假設(shè)硝酸鹽原料價格降低25%，則火焰噴霧熱解法生產(chǎn)的NCM811盈虧平衡售價可降低至172.0 CNY/kg。

（4）火焰噴霧熱解法具備大規(guī)模生產(chǎn)高鎳三元正極材料NCM811的經(jīng)濟可行性，且節(jié)能減排效果顯著。后期的技術(shù)改進包括如下兩方面：一方面，通過提高前驅(qū)體溶液濃度、燃燒器加裝廢氣循環(huán)預熱等技術(shù)改進方式，降低單位產(chǎn)品綜合能耗和制造成本；另一方面，優(yōu)化前驅(qū)體配方，大部分甚至完全消除NOX排放。未來，還可將該工藝拓展到其他鋰離子電池材料(比如磷酸鐵鋰)或者鈉離子電池材料的生產(chǎn)。