磷酸铁锂正极材料项目节能减排分析

磷酸铁锂正极材料项目节能减排分析

高进爵

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摘要：改革后，在我国高速发展下，带动了科学技术水平的进步，并被广泛应用到各个行业领域，以助力磷酸铁锂正极材料项目节能减排为目的。基于咨询案例从项目选址、工艺方案比选、主要用能工序分析、主要用能设备等方面分析了磷酸铁锂项目节能减排路径。分析表明:磷酸铁锂正极材料项目节能减排，需统筹成本及自身应用场景，选用先进生产工艺路线，在项目实施全生命周期中全面贯彻节能减排理念，助力“双碳”目标。

关键词：磷酸铁锂;正极材料;节能减排

引言

锂离子电池（LIBs）由于具有高能量密度、高库伦效率、较长的使用寿命、无记忆效应、低自放电特性和不同电极设计的化学势，在消费电子产品、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。

1磷酸铁锂电池市场前景

正极材料在锂电池材料成本中占比最高，直接影响电池的性能与整体成本。磷酸铁锂（LFP）具有优异的循环寿命、成本低、安全、绿色环保等优势，优先在动力电池正极材料领域推广应用，但由于其能量密度低、振实密度不高，其产销量曾一度低于三元电池，直到比亚迪刀片电池的成功研制，极大改善了LFP电池的性能，这也使得LFP电池和三元电池的竞争格局再次反转，我国LFP产量也在2021年5月再次超越三元材料。随着新能源汽车的性价比优势愈发显现，新能源汽车行业前景不可估量，其市场需求将会持续火热。根据国务院发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，到2025年新能源汽车新车年销量占比将达到汽车新车全年总销量的20%左右。除动力电池外，储能电池市场也在2022年飞速扩展，特别继欧洲能源危机后，全球各地均在加速分布式风电、光伏的发展，据全球风能理事会市场信息平台预计，2021-2026年全球风能将新增557GW装机量，年均新增装机量不低于110GW；2021年全球光伏累计装机容量已超过640GW，年均复合增长率达35.16%。未来以风电、光伏发电为主要形式的非化石能源将逐渐占据电力系统的主体地位，绿色电力的发展必然需要储能电池材料的支持。而LFP电池具有的优点，非常适用于绿色电力行业的大规模电力储存、发电站发电安全并网、电网调峰、分布式电站、应急电源系统等领域。

2工艺及技术方案比选

磷酸铁锂生产工艺决定了项目能耗和节能减排的方向。各生产企业结合建设运营成本，综合考量市场和项目实施单位实际情况，选用适合自身条件的先进生产工艺技术方案，有利于节能减排和企业发展。在固相法生产工艺案例方面，本司合作企业天原锂电新材有限公司同科研院所合作进行技术创新，选用改进的磷酸铁+固相法生产工艺，该工艺具有成熟可控、产品性能优良、正极材料克容量和压实密度优异等优点的同时，对磷酸铁锂细混工序进行技术升级，使其固含量由目前35%提高至50%，使得后续干燥、烧结阶段停留时间减少，用能可降低约30%;本司合作企业协鑫锂电独家创新固相法一步合成，去掉了前驱体磷酸铁合成、提纯、洗涤、压滤闪蒸干燥等工序，工艺更简化，原料更便宜，单体产能更大，自动化程度更高，该合成工艺中无液体原料，工艺研磨时间缩短，大大降低能耗成本。在液相法生产工艺案例方面，我司合作企业厦钨新能源采用自主创新的液相法生产工艺，做成电池后低温性、倍率性等性能更加优异，该技术路线制备所得的产品的电化学性能指标达到国内行业先进水平且产生少量废水、废气和废渣，环保程度高，降低了能耗和成本。在磷酸铁锂赛道上，若企业能够在锂源/铁源/碳源/磷源上把握关键资源、自主研发，掌握成熟、安全可靠的工业化工艺路线，生产出比主流磷酸铁锂性能更加优异的磷酸铁锂材料，对比现在主流工艺路线，在成本、能耗、安全性、规模化上更具优势，更符合节能减排理念。

3废旧负极石墨回收技术

近几年由于锂电池的广泛应用，石墨负极的需求量也随之增长，美国及部分欧洲国家已将其认定为一种关键材料。废旧石墨负极的回收工艺主要有热处理法、溶剂溶解法和修复改性等。热处理法是将废旧负极材料在高温下将黏合剂挥发或分解，以恢复了石墨负极的疏水性。再借用浮选工艺实现铜粉和石墨粉末的分离。该法可高效去除黏结剂，但高温条件下易生成有毒气体，且需要高温处理，存在经济与环保问题。溶剂溶解法常用乙醇、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯等有机溶剂，利用其与黏合剂间的相互作用力，减弱石墨与有机黏结剂的黏结，将石墨从铜箔上脱除的方法。该法可以在不破坏负极材料结构的前提下，实现石墨与铜箔的分离，但是该方法仍存在成本较高问题，且部分溶剂有毒，若不进行无害化处理将对环境以及人类健康造成损害。修复改性通常将废旧石墨负极分离后，使用浸出、煅烧等手段重新加工成电池材料或其他有较高经济价值的非电池材料。

4有机电极

使用有机材料作为锂离子电池的电极在过去的几十年里已经被提出，这种电池类型具有良好的可持续性、环保特性、材料设计上的存在性和资源丰富性。一些有机材料，如有机硫、碳基化合物、有机自由基（或自由基聚合物）和亚胺基团（C=N），在过去的20年里得到了广泛的研究。罗等的研究建议采用偶氮（N=N）官能团的聚合物作为锂电池电极，实验结果证实偶氮化合物电池具有良好的循环稳定性和较高的速率能力。采用自组装的有机纳米线是另一种可以解决锂离子电池有机电极的方法。

5主要用能设备

工艺不同，设备选型则不同，主要用能设备不同。据本司咨询数据:采用固相法，通常主要用能设备有砂磨机、干燥装置、辊道窑、气流磨等工艺设备及变压器、冷水机组、空压机、各类风机水泵、电机等公辅设备;德方纳米液相法主要用能设备有造粒机、辊道窑、砂磨机、气流磨等工艺设备及蒸发装置、变压器、空压机、各类水泵电机等公辅设备;厦钨新能源自主研发液相法，主要用能设备包括反应釜、粉碎机、砂磨机、乳化机、烧结炉、气流磨、干燥机等工艺设备及空压机、冷水机组、MVＲ压缩机、各类水泵电机等公辅设备。优化主要用能设备，根据项目生产规模和工艺要求，严格落实设备选型原则，按照《重点用能产品设备能效先进水平、节能水平和准入水平(2022年版)》要求，选用达到先进、节能水平要求的耗能设备。优先采用《国家重点节能低碳技术推广目录》及其他推荐目录中的节能技术、生产工艺和用能设备将有助于节能减排。

结语

在国家“双碳”目标背景下，磷酸铁锂项目需综合统筹其应用条件和场景，结合自身成本，选用先进生产工艺路线。从前期项目咨询、规划设计、建设施工、生产运营、技术改造入手，融合能效评估、余热利用、自动控制、在线监测等多方面技术手段多维度进行项目全生命周期节能减排，在项目实施全生命周期中全面贯彻节能减排理念，采取切实有效的节能技术和管理措施，助力“双碳”目标。

参考文献

［1］罗成果，刘海霞．锂离子电池正极材料磷酸铁锂行业研究［J］．河南化工，2009，12(9):20－22．

［2］观研天下．中国磷酸铁锂正极材料行业现状深度研究与投资前景预测报告(2022－2029年)［Ｒ］．［出版地不详，出版者不详］，2022．

［3］吴凡．深企德方纳米领跑全国磷酸铁锂市场［N］．深圳特区报，2021－04－16(A03)．

［4］曾彪．德方纳米－纳米磷酸铁锂－技术铸公司护城河，产能扩张促高成长［Ｒ］．［出版地不详，出版者不详］，2022．