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雙極膜電滲析工藝在新能源行業的應用
中國膜工業協會行業報告編寫組 / 時間:2022-04-28 13:57:18

從中華人民共和國工業和信息化部已公示文件可知,從2017年開始,雙極膜材料一直被入選《重點新材料首批次應用示范指導目錄》。在《浙江省重點新材料首批次應用示范指導目錄(2019年版)》中,雙極膜電滲析膜材料應用參考領域為“化工”,而在《浙江省重點新材料首批次應用示范指導目錄(2020年版及2021年版》,雙極膜電滲析膜材料隸屬于“關鍵戰略材料/新能源材料“子項。雙極膜的應用領域除了國家層面提到的化工,浙江省增加了新能源、半導體行業,從政策指導文件可知,雙極膜材料的功能和技術已經得到了更加廣泛的關注和應用。

新能源產業鏈中,鋰是核心資源之一,目前鋰礦資源主要有固體礦和液體礦,液體礦主要指鹽湖鹵水,固體礦則主要是鋰輝石礦和鋰云母礦。在眾多鋰產品系統中,常見的鋰鹽種類有LiCl、LiF、Li2SO4、Li2CO3、LiOH等,而雙極膜電滲析技術的應用與這些鋰鹽息息相關,目前均有非常成熟的應用案例。

在固體礦系統中,氫氧化鋰產品的生產,傳統工藝主要采用苛化法。與雙極膜電滲析技術制備氫氧化鋰兩者工藝簡易對比如下:

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圖1.傳統苛化法與雙極膜法對比

采用雙極膜電滲析技術工藝包,可以實現低成本高純度氫氧化鋰的生產;其次雙極膜制備得到的氫氧化鋰溶液除了做氫氧化鋰產品外,還可以采用通入二氧化碳的方式,最終轉化為高純碳酸鋰,工藝包設計靈活。綜合而言,在制備氫氧化鋰產品工藝中,雙極膜法優勢如下:

(1)高品質:雙極膜法無需添加氫氧化鈉和其他藥劑,生產氫氧化鋰純度較高,一次結晶即可達電池級產品;

(2)高收率:雙極膜法只有氫氧化鋰出口,幾乎沒有鋰的損失,收率較高;

(3)更清潔:由于無其他物質添加,也無危廢產生,生產綠色清潔;

(4)低成本:生產成本主要構成為電滲析耦合設備的折舊和電費,成本低于苛化法。

(5)短工期:雙極膜系統采用模塊化設計,現場安裝簡單,工期大幅度縮短。

目前江西宜春金輝鋰業萬噸級(氫氧化鋰)雙極膜電滲析技術耦合工藝生產氫氧化鋰在2021年年底已經實現順利投產,最終高品質鋰鹽產品大部分實現了給寧德時代的供貨。除此之外,四川、江西、安徽、廣東等地均有幾百噸到上千噸氫氧化鋰每年不等的雙極膜電滲析技術生產氫氧化鋰工藝線已經投運,且多個新項目正在籌建中。 

四川成都開飛高能化學工業有限公司是一家主要生產高純鋰鹽產品的全國知名企業,其高純氫氧化鋰產品主要為松下、特斯拉等海外客戶長期供貨,這些用戶對整體產品品質和穩定性要求非常高。成都開飛高純氫氧化鋰產品生產線中核心采用雙極膜電滲析技術,取代傳統苛化法工藝路線,實現硫酸鋰制備高純氫氧化鋰溶液,連續穩定生產時間大于3年。隨著國家對環境保護的加強和雙碳政策的實施,雙極膜電滲析工藝在未來可能會存為氫氧化鋰制備的主流工藝,市場潛力巨大。碳酸鋰制備氫氧化鋰雙極膜電滲析耦合設備市場容量,預計2025年可達40億元。

在鹽湖液體礦系統,歷史上鹽湖鋰不做氫氧化鋰,它要做氫氧化鋰必須先出碳酸鋰再苛化,每噸產品整體需要增加接近1萬生產成本。這幾年國家的政策支持、鹽湖提鋰技術的高速發展和資本大量注入,鹽湖進入了快速加量發展期。整體的發展環境,已經逐步使鹽湖制備氫氧化鋰成為可能,而且相對于傳統礦石法而言,鹽湖生產氫氧化鋰的生產成本會具有更大的經濟性優勢。

雙極膜電滲析技術在鹽湖關注度越來越高,一方面它可以直接將氯化鋰溶液一步法直接制備成氫氧化鋰;其次,鹽湖項目條件有限,酸堿資源、水資源非常匱乏,高海拔,交通不便,運輸成本高,生態環境脆弱,但是鹽資源豐富,雙極膜電滲析技術可以轉化無機鹽制備酸堿,而酸堿液可以用于吸附提鋰、除雜預處理等核心工藝段,可以實現資源化的高效利用,整體降低產品單位生產成本。

2021年四季度西藏扎布耶鹽湖與久吾高科簽訂年產100噸氫氧化鋰中試線,該中試項目投資約為5900萬。其中氫氧化鋰中試將采用雙極膜電滲析工藝。如果此中試線嘗試成功,未來雙極膜電滲析將會使鹽湖制備氫氧化鋰工業化應用帶來可能。鹽湖制備氫氧化鋰雙極膜電滲析耦合設備市場容量,預計2025年可達50億元。

在舊電池回收系統,鋰是核心的待回收資源,常規鐵鋰和三元電池粉經酸浸和水浸、濃縮、除雜后得到純硫酸鋰溶液,有些企業設計直接蒸發得到硫酸鋰副產品外售,部分企業用傳統工藝加入碳酸鈉進行沉淀反應,得到碳酸鋰沉淀和硫酸鈉溶液,碳酸鋰經過干燥后制備碳酸鋰產品。但是這類工藝面臨鋰回收率較低,副廠固廢多,環保壓力大。

南都電源(股票代碼:300068)全資子公司安徽南都華鉑新材料科技有限公司(以下簡稱“南都華鉑”)離子電池回收項目在阜陽市界首高新區建設,占地97畝,達產后可年處理廢舊鋰離子電池及廢料2.5萬噸,年產電池鋰鹽、鈷鹽等合計1.3萬噸,年產梯次電池3000噸、三元前驅體和正極材料100噸,并實現銅、鋁、石墨粉等的綜合回收。鐵鋰和三元電池回收過程中得到硫酸鋰溶液后,直接采用雙極膜電滲析技術制備氫氧化鋰溶液,氫氧化鋰溶液經后續蒸發結晶后得到氫氧化鋰晶體,其次部分氫氧化鋰晶體通過通入二氧化碳再焙燒反應得到碳酸鋰晶體。整條舊電池回收生產線,整體配套投資千萬級膜處理系統,實現了鋰的高效回收,高品質鋰鹽的制備,且無其它副產固廢產生。

鋰的資源有限,隨著近幾年新能源行業鋰電池的投入使用,如今舊電池回收逐步被市場關注,越來越多的新能源企業參與進來,如華友鈷業、邦普集團、格林美、南都華鉑等目前均有成熟的舊電池回收生產線。隨著杭州藍然技術股份有限公司雙極膜電滲析設備在南都華鉑首次工業化應用,為雙極膜電滲析在廢舊電池鋰回收領域打開了新的清潔生產工藝,為新能源鋰電池的循環清潔利用提供了可能。廢舊電池回收氫氧化鋰雙極膜電滲析耦合設備市場容量,預計2025年可達30億元。

目前中、高端車型搭載高鎳電池仍為主流,隨著外資車企的進入,全球高鎳需求增長迅猛,產量增速提升明顯中,高鎳新能源汽車市場大幅增長,對高鎳三元需求不斷上漲,未來這部分市場需求將帶來可觀增量。

氫氧化鋰主要用于生產三元材料中的高鎳正極材料,海外電池廠以高鎳三元電池為主,中國三元電池高鎳化趨勢也在加速,對于頭部資源企業而言,氫氧化鋰的戰略地位遠高于碳酸鋰。所以雙極膜電滲析技術在各類系統,實現鋰鹽轉化成氫氧化鋰具有非常大的潛在市場。


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