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【行业资讯】有理讲“锂”:特斯拉的美梦取决于中国锂行业?

浏览次数: 日期:2019-03-26

导 语

  为什么说特斯拉的超级电池工厂的梦想能否成功取决于中国锂行业的表现?看完这篇文章就知道了,而且,本文是一篇锂电池的科普文章,很多你想知道的答案都在文中。

1、特斯拉的锂电池梦想有多大

美国的电动汽车制造商特斯拉(Tesla)正在内华达州兴建一座巨型电池工厂:Gigafactory,为其电动汽车提供电力。设计年产量50GW.h。预计2020年达产。

50GW.h是什么意思?就是电池的总功率,就是相当于50台100兆瓦的发电机组的容量。即使效率较高的电厂,也相当于每个小时耗标准煤一万五千吨。所以说50GW.h的容量是一个相当大的规模。

这种电池采用的是锂电池技术,跟我们手机和笔记本电脑里用的电池是一个样,只是用在汽车上功率和电压不同,需要许多节电池来串联(满足电压)和并联使用(满足电流和功率)。

再具体一点,特斯拉目前采用的是日本松下(Panasonic)18650型号的钴酸锂电池技术。特斯拉Model3还拟采用电功率密度更高的20700钴酸锂电池。

不管使用什么型号,只要是锂电池就要用锂,这是怎么也绕不过去的。而这却是一个坎儿。

2、锂电池的分类

实际上锂电池有两种,一种可以是真正的锂电池,叫作锂原电池,用锂金属做成,一次使用,不能再充。还有一种就是锂聚合物电池,叫作锂离子电池。我们通常使用的就是后者,可充电。本文的锂电池都是指锂离子电池。

真钱21点玩法 锂电池主要有四大组件:正极,负极,电解液和隔膜。正极是由锂晶体组成的,电解液里也有锂。隔膜把正负极隔开。当充电的时候,锂离子就会在电解液力穿过隔膜从一边到另外一边,放电的时候就又回来。正负极就相当于房子,锂离子就在充电和放电中来回搬家。

锂离子电池结构

锂离子的质量好坏,就取决于这房子的好坏。如果锂离子两边走的时候,房子倒了一些,或者把锂例子锁住出不去了,你的电池就使用时间不长。如果房子一直完好,就可以反复充电下去而不减少容量。

当然这个房子的比喻只是一个方面,如果锂离子在游荡的过程中产生热,就会存在安全问题。如果隔膜破裂就会出现短路问题等等等等。

锂电池的原理很简单,制作工艺也不复杂。一个研究生在实验室里,有一个手套箱一个马弗炉再加上一些锅碗瓢盆就可以自制锂电池。

锂电池易做,但是锂电池要做好,却是十分困难的事情。这就像炒菜,原材料要好,火候等都重要。这里只说原材料中最关键的一种:锂原材料。

3、锂从哪里来?

锂电池中的正极和电解液都需要锂,其中正极用的锂最多。正极材料有很多种,比如镍锂,镊钴锂,锰锂和磷酸锂铁等。什么样的正极材料就叫什么电池。比如特斯拉用的钴酸锂电池就是用钴酸锂LiCoO2为正极材料。

正极材料中的锂主要来自两种产品:碳酸锂和氢氧化锂。目前,碳酸锂占多数,氢氧化锂占少数。但特斯拉用的钴酸锂正极却是采用氢氧化锂工艺,所以氢氧化锂在最近开始走俏。

碳酸锂和氢氧化锂的上游原材料有两种:一种是锂辉石(spodumene),一种氧化锂含量在8%的硅铝锂晶体矿石。还有一种是盐湖中的卤水(brine)。

锂不是什么稀缺金属,到处都有。海水里就有,但浓度太低。美洲还有锂粘土,目前还处于研发阶段。有经济开采价值而且有商业运行经验的就只有锂辉石和盐湖卤水这两种。

锂辉石

真钱21点玩法 锂辉石是一种硬石矿。一般含有1%左右的氧化锂。只有澳大利亚西澳Greenbushes的矿是特例,氧化锂含量4%左右。所以目前只有Greenbushes的锂辉石矿在开采,其它矿成本较高或尚未开发或停产。碳酸锂价格猛涨,含氧化锂1%的锂辉石矿也开始变得有开采价值了。这些矿主要在澳大利亚的西澳州和加拿大的魁北克省。中国也有几个矿。

柴达木盆地的盐湖

盐湖卤水一般锂含量在0.6%到0.8%之间,都在大陆盐湖中。海水中的锂含量太低,没有开采价值。锂盐湖主要分布在智利、阿根廷和玻利维亚交界处的一个三角地带(也叫锂三角),以及中国的青海和西藏。

4、如何从矿石中提取锂

盐湖卤水的锂已经在卤水里面,但浓度还是太低,需要浓缩才能提取。好在卤水一般都在干燥多风的高原。可以把卤水抽进盐池里,靠太阳晒,大风吹来浓缩。锂一般浓缩到2%左右就可以加工。

通常的办法就是加入苏打(碳酸钠),和浓缩过卤水中的氯化锂反应就形成了碳酸锂和食盐。碳酸锂溶解度很低,就成了固体,这个过程叫作沉锂。沉出来的粗碳酸锂就可以进一步加工提纯成电池级的碳酸锂或者氢氧化锂了。

锂辉石矿在矿脉中,需要爆破开采,就像采石头是一个样。但原矿含量不高,需要破碎后提取精矿。通常的做法是重选和浮选。

重选就是弄一种液体,比如比重是2.8,把破碎了的矿石放进去,比2.8轻的就上浮,重的下沉。含锂的锂辉石比较重,就下沉。石英等比较轻的就上漂,于是就分开来了。

重选适合于粗颗粒。有些锂辉石矿晶粒很小,需要磨得更细才能跟杂质分开。这样的颗粒不能重选,要浮选。浮选的原理很简单,就像家里煮肉,上面漂浮的血杂质就是粘在气泡上漂上来的。

选矿一样,就是加了药剂,使得有用的东西容易粘在气泡上,杂质留在水里。或者反之。这样把细矿放进水中,往里吹气泡就把矿石浮选上来。选好的精矿,一般含氧化锂5%到6%。

真钱21点玩法 锂辉石中的锂在晶格里面,锂辉石是顽石,酸碱不侵。可是把锂辉石放到窑炉里加热到1000多度,锂辉石就会改变晶体结构,体积膨胀而松散,就像爆米花一样。烧过的料加了硫酸加热到250度就跟晶体中的锂就形成硫酸锂。

硫酸锂溶于水,把烧过的酸化了的料放入水中,硫酸锂就溶入水,而其它杂质就会留在固渣里。进行过滤,就可得到硫酸锂溶液。

就像泡茶水是一个道理。把苏打加入硫酸锂溶液反应,就可成为碳酸锂和硫酸钠。碳酸锂溶解度很低,沉出固体,硫酸钠则留在溶液里。

盐湖锂卤水储量丰富,又加上在晒盐的时候可以提取钾肥,总算下来比较便宜。但盐湖在边远地区,建厂和运行都十分困难。而且卤水中的杂质比较多,特别是镁含量很高,技术上比较困难。

南美盐湖提锂的几大公司,靠着价格优势,几十年来技术没有进步,生产出来的碳酸锂不够电池级的水平。

而中国的盐湖则含镁过高,分离困难。生产很不容易,产量和质量都存在着许多问题。新的卤水项目初投资大,时间厂。而且盐湖卤水提锂靠天吃饭,一场大雨就可把盐池稀释而影响产量。这就给矿石提锂留下了空间。

真钱21点玩法 目前世界上绝大多数的高端正极材料都是用锂辉石矿中提取的碳酸锂和氢氧化锂来制造的。

5、锂的供应取决于投资、技术资源和时间

绕了一大圈,我们言归正传,回来看看特斯拉的Gigafactory。50GW.h的产量,有35GW.h自产,还有15GW.h只是组装。不论是自产还是组装,原材料都需要锂。

我估算了一下,要生产50GW.h电池,锂的耗量大约三万两千五百吨碳酸锂当量。相当于两个目前最大的电池级生产线。

特斯拉超级电池工厂Gigafactory

特斯拉的美梦是通过大规模生产降低电池的生产成本。要是特斯拉的美梦成真,再加上其它汽车公司和电池公司的需求,锂材料的需求增量翻倍不是问题。问题是哪来这么高质量又便宜的锂材料。

我相信特斯拉也意识到了这一点,他们在积极跟各大生产商进行接触寻求货源。但特斯拉不会有精力直接进行原材料生产投资。

碳酸锂和氢氧化锂的生产不便宜。过去几年来,电池级锂材料生产厂商的利润非常薄,再要求降价以降低电池价格已经没有了空间。好在锂材料在整个电池链中的成本份额不高,特斯拉电池的降价只能靠规模化和降低其它原材料的进价。

即使高价格可以接受,原材料的供应也不是那么容易满足。问题不是锂的资源。从目前探明的锂储量来看,完全可以支持锂需求的大规模增长。问题在于投资、技术资源和时间。

首先看看投资。自2010年以来,在锂原材料的投资大约15亿美元。除了中国之外,世界上有数家公司进行可行性研究,至今大多还处在讲故事阶段。

只有三个项目进入了实施阶段:

澳大利亚西澳银河锂业的江苏碳酸锂项目(现在天齐锂业拥有)和加拿大魁北克省的魁北克锂业(后来为RB Energy)都是锂辉石提锂。

第三个是盐湖提锂,也就是澳大利亚布里斯班的Orocobre在阿根廷的Juluy省的盐湖项目。

真钱21点玩法 三个项目中,只有银河锂业成功大批量生产了电池级产品。RB Energy魁北克锂业2014年六月开始出产品到同年九月停产倒闭,只生产了100来吨产品,无一达到电池级指标。

Orocobre的项目从2015年四月开始生产,到2015年十月总共生产了不足1000吨产品,电池级产品寥寥。

除了银河资源的碳酸锂项目,这十数亿美元的投资打了水漂。这严重的影响了电池原材料方面的投资热情。这就造成了目前碳酸锂和氢氧化锂的涨价。涨价为生产厂商增加了利润,也增加了进一步投资的动力。

可是有了钱就能解决问题吗?当然不是,还有一个时间和技术资源问题。

我们先看看以前的几个项目:

魁北克项目自2011年10月份破土动工,2014年六月才开始出产品,到2014年九月停产,一共生产了100多吨碳酸锂次品,耗资达数亿多美元(不好公布数字)。工厂没有完全建成,遑论完成调试。

Orocobre的阿根廷盐湖项目2011年完成可研,投资2。5亿美元,2015年4月生产出第一批产品,到10月月产只有316吨,少量电池级产品。这个项目即使能够生存,要实现达产和达到电池级要求,还有一段漫长的路要走。

就是比较成功的银河碳酸锂厂,2010年二月破土动工,到第一批量产,也用了两年多时间,这已经历史上少有的速度了。

矿石提锂厂的建设周期较短,即使如此,从破土动工到出第一批产品最少也要两年以上。如果加上可行性研究和详细设计阶段,至少三年才能建造一个厂。厂子建好后,还需要一到两年的达产时间。

真钱21点玩法 而卤水提锂的时间则更长。因为盐池建好后,至少需要两年的晒盐过程,才能开始使用。虽然处理厂相对简单,但考虑到地区边远,其建设和调试时间只能长,不可能短。

也就是说,即使有足够的资金,现在就开始设计,也不能保证2020年达产。达产以后,产品还需要半年到一年的验证期。

我曾经帮助分析这些失败项目。表面上看似是因为财务原因,实则因为其它原因把工厂拖垮。一个主要的原因就是技术资源的匮乏。

西方国家自上个世纪五六十年代一直没有新厂建设,造成了技术,设计和运行人员匮乏。工程公司缺乏设计和运行经验,真正懂行的老一代人员已经退出了舞台,造成了设计上和运行上的巨大问题。

投资者往往看重硬件,而常常忽略这些最重要的软件问题。

6、为什么特斯拉美梦成真取决于中国锂行业

那么答案在哪里?在中国的矿石提锂。因为中国有资金和运行经验。

南美的盐湖资源都在海拔三、四千米以上的高原地区,远离工业区。要建厂并成功运行,所需时间很长。中国的盐湖也在高原,而且卤水中的镁含量太高,在没有技术突破之前,很难有突破。远水解不了近渴。

海外虽然有很多公司还在声称建厂,但不太实际。因为澳大利亚和加拿大的建造成本是中国的2到2.5倍。运行成本也要高很多。

目前的状况是,电池材料和电池的生产多集中在东亚,也就是中日韩三国。现在中国的份额变得越来越大。锂辉石提碳酸锂和氢氧化锂,几乎都在中国。

中国的锂材料生产厂商,存在着两个严重的问题,一是缺乏资源需要从澳大利亚等进口矿石。中国的锂辉石矿在藏区,环境问题是其主要制约因素。二是工艺采用批次生产,不连续,不自动化。三是目前最重要的增长点在氢氧化锂,而目前的生产厂商则侧重在碳酸锂。

就整个中国而言(不是具体公司),矿产的问题通过购买和投资基本得到了解决。而生产工艺的缺陷,却是一个长远的问题。碳酸锂厂需要重新兴建。

正在开采的锂辉石矿

批次、不连续和非自动化生产出来的产品的一致性不好。动力电池的使用是由无数个小电池组成的电池组。这样对电池的要求就不仅仅是单个电池的质量,还要求电池的的一致性要好。也就是说一组电池,如果有几个不好的,整个电池组的使用就受到这几个坏电池的影响,也就是人们常说的短板效应。

通俗的说,就是一个老鼠坏了一锅汤。一致性要好,需要每个环节的一致性都要好,其中原材料的一致性就至关重要。这样就很难通过松下这样的企业的技术认证。

要解决一致性,就不能一批一批的生产。连续自动控制的生产线才是解决问题的方法。国际上生产厂的设计理念就是连续自动化。但连续自动化并不容易,一是设计不容易,缺乏经验;二是运行不容易,缺乏基本队伍。

虽然中国积累了许多同类厂的经验,但同样缺乏设计和运行现代自动化厂的人员。

目前的增长点在氢氧化锂。而现在运行的氢氧化锂规模都过小。要兴建和运行自动化大型化氢氧化锂厂还有许多风险要克服。最后成功的关键不在资金和资源,而是在专业人才。

总之,特斯拉的梦做得不小,梦是否变成现实,很大程度上还要看中国锂行业接下来几年的表现。

(本文作者在澳大利亚工作近二十年,先获得博士学位,后相继在Metso Minerals和Hatch任职。2010年入Galaxy Resources工作,负责锂项目开发和技术。现任职另一澳洲上市公司,负责运营。若侵联删)

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