磷酸铁锂的工艺路线探讨和发展.docx
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磷酸铁锂的工艺路线探讨和发展
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磷酸铁锂的工艺路线探讨和发展
蒋华锋
二0一0年五月
内容概要
第一部分第二部分第三部分磷酸铁锂的产业化现状工艺路线的发展探讨磷酸铁锂产业的发展探讨
HuafengChiang
1
1.磷酸铁锂产业化现状
典型厂家
铁锂材料生产商
HuafengChiang
2
1.磷酸铁锂产业化现状
厂家总结
生产厂家
A123systemsSTLPULEADGX-TECHZNVALENCEFPG-CYPhostechDATUNGAleees
技术路线
产品特性
高倍率较高容量和倍率高平台较高容量和倍率
综合评估
★★★★☆★★★☆★★★☆★★★☆★★★☆★★★☆★★★☆★★★★★★★★★★★★
草酸亚铁氧化铁红
较高容量和倍率稳定性好,易加工稳定性好,易加工易加工;高倍率高容量和高倍率
磷酸铁
高容量
HuafengChiang
3
1.磷酸铁锂产业化现状
路线比较
以年产300吨为例:
工艺路线(铁源选择)
草酸亚铁氧化铁红1(V系)氧化铁红2(复合)磷酸铁
原材料成本(元/吨)
53500(42200)
生产设备投资(万元)
700
路线瓶颈
成本略高,品质不易稳定控制。
容量不理想,产品性价比偏低。
产业化经验需要摸索现阶段原材料成本过高,比例超过50%。
55000
450
40000
400
58500
400
HuafengChiang
4
1.磷酸铁锂产业化现状
简要分析
(1)草酸亚铁路线仍然是目前最主流的合成路线,但设备依存度较高,生产周期比较长,形貌调控问题是该路线的难点,导致稳定性不理想。
(2)氧化铁工艺路线比较成熟,产业化基础强,稳定性好,但V系路线的市场竞争力较弱,在成熟市场会面临挑战;复合路线在成本和性能做了很好的兼顾,成本方面也有较大优势。
(3)磷酸铁路线成本比较高,仅磷酸铁一项就达到原材料成本的50%以上,必须大幅削减成本,才能让其优质的电性能和市场价格相匹配。
技术路线不统一,说明目前的磷酸铁锂市场仍然不成熟,预示整个产业还处于“从有到优”的竞争阶段,稳定性是现阶段的重点,V系工艺会有较好的表现,在下一个阶段”从优到廉“的发展过程中,复合路线和磷酸铁将成为发展的主流,毕竟“稳定性,加工性,电特性”才是符合动力电池产业发展的主流特征。
HuafengChiang
5
2.工艺路线的发展探讨
铁源追溯
草酸亚铁
氧化铁红
磷酸铁
草酸
氨水
氢氧化钠
双氧水
双氧水
磷酸
氢氧化钠
硫酸亚铁
还原铁粉
工业硫酸
HuafengChiang
6
2.工艺路线的发展探讨
磷源追溯
HuafengChiang
7
2.工艺路线的发展探讨
锂源追溯
电池级碳酸锂制备工艺:
(1)用盐酸中和氢氧化锂至一定pH值,然后加入草酸铵和氯化钡除去钙和硫酸根离子。
(2)然后用氢氧化锂条件调节一定pH值,加入双氧水将亚铁离子氧化成铁离子,在弱碱性条件下除去铁离子。
(3)为了提高锂的回收率,加入碳酸铵沉锂;(4)通入CO2将碳酸锂进一步氢化;(5)通过离子交换树脂深度除去钙、镁离子,然后将LiHCO3溶液加热结晶得到99.9%电池级碳酸锂。
HuafengChiang
8
2.工艺路线的发展探讨
原材料小结
磷源合成离不开工业磷酸,锂源都是由氢氧化锂作为中间产物。
合成磷酸铁锂的基础原料可简单分为3种:
(1)工业磷酸;
(2)硫酸亚铁;(3)氢氧化锂;
归根到底,固相法和溶液法所用的原料完全相同,不同的工艺路线只是原材料的不同排列组合而已;很显然物质利用率越高的搭配组合可以实现较低的原材料成本。
HuafengChiang
9
2.工艺路线的发展探讨
烧失率统计
工艺路线(铁源选择)
草酸亚铁氧化铁红1(V系)氧化铁红2(复合)磷酸铁
产率(%)
47.6
百分比(%)
57.3
备注
两次烧成,有机体系
83.1
100
水系
66.4
79.9
水系或有机系
68.6(81.4)
98.0
水系
很显然,氧化铁红1路线和磷酸铁路线物质利用率最高,但由于目前磷酸二氢锂和磷酸铁的价格压力较大,成为制约其路线发展的关键!
HuafengChiang
10
2.工艺路线的发展探讨
成本比较前提
(1)草酸亚铁产业化路线:
有机溶剂(考虑回收),二次静态热处理工艺;
(2)磷酸铁产业化路线:
水系体系,一次静态热处理工艺。
生产线按年产300吨配置,实际产量按每月12吨来核算,设备利用率约50%。
HuafengChiang
11
2.工艺路线的发展探讨
亚铁项目核算
草酸亚铁工艺路线核算(以月产12吨为例):
项目成本(元/吨)
42200700012700486166761
成本比例(%)
63.2110.4919.027.28100
备注
原材料水力和电力人力成本折旧费用合计
考虑溶剂回收
折旧基数:
700万元不考虑回收,每吨成本增加16000元。
HuafengChiang
12
2.工艺路线的发展探讨
磷酸铁项目核算
磷酸铁工艺路线核算(以月产12吨为例):
项目成本(元/吨)
59500760012700277882578
成本比例(%)
72.059.2015.383.36100
备注
磷酸铁成本在总体成本比例50%以上。
原材料水力和电力人力成本折旧费用合计
折旧基数:
400万元
HuafengChiang
13
2.工艺路线的发展探讨
工业化路线成本小结
通过上述分析得出以下结论:
(1)草酸亚铁工艺路线的成本可控制在7万以下,由于目前国内大部分厂家设备投资额有限,溶剂回收利用率低,实际成本控制在8万左右;该路线原材料价格比较成熟。
(2)磷酸铁成本占据总成本的50%以上,需在现有幅度下降35%左右才能在成本和电性能优势方面更具竞争力。
(3)氧化铁红路线原材料成本约在5.5万左右,总体成本在8万左右,磷酸二氢锂材料单项比例约50%左右。
HuafengChiang
14
2.工艺路线的发展探讨
正磷酸铁工艺流程
HuafengChiang
15
2.工艺路线的发展探讨
主要生产设备
主要生产设备一览表
序号
12345
规格型号
2000L2000L800mm2000L100Kg/h
设备名称
反应釜高位槽离心机干燥箱粉碎机
材质
SU316LSU304SU316LSU304SU304
数量
31321
HuafengChiang
16
2.工艺路线的发展探讨
磷酸铁原料成本核算
序号
12345产品
名称
硫酸亚铁工业磷酸氢氧化钠氧化剂去离子水正磷酸铁
单价(元/吨)
46004000250012001011947
吨耗用量(吨)
1.520.620.451.0015.00产率95%
吨耗费用(元)
699224801125120015012576
成本比例(%)
58.5320.769.4210.041.26元/吨
考虑到加工费用、设备折旧等预计正磷酸铁总体成本控制在2万元以下;按照目前磷酸铁锂生产工艺,磷酸铁锂单吨总成本可以控制在5.5万以内。
HuafengChiang
17
2.工艺路线的发展探讨
硫酸亚铁精制的意义
当前我国绝大部分钛白粉仍采用传统的硫酸法生产工艺,采用硫酸法生产一吨钛白将产生3.5~4t的绿矾,年副产绿矾量255~340万t。
钛白生产的副产物废渣绿矾除含有约90%亚铁盐外,还含有Ti、Mn、Mg、Al、Si、Cu等多种杂质。
而其高附加值利用途径要求硫酸亚铁的纯度达到99%以上,主要体现在氧化铁颜料、磁性材料和磁粉工业。
HuafengChiang
18
2.工艺路线的发展探讨
硫酸铁的提纯和精制
高纯硫酸亚铁成本每吨成本可控制在2500元以内,保守估计磷酸铁成本每吨可节省4000元左右。
HuafengChiang
19
2.工艺路线的发展探讨
磷酸铁成本变化
磷酸铁工艺成本变化(以月产12吨为例):
项目成本(元/吨)
32000760012700277855078折旧基数:
400万元成本下降27500元
成本比例(%)
58.10
备注
磷酸铁成本在总体成本比例35%以下。
原材料水力和电力人力成本折旧费用合计
HuafengChiang
20
2.工艺路线的发展探讨
磷酸铁锂成本变化
磷酸铁合成路线在未来的发展中将克服成本方面的障碍,体现更优良的性价比,该路线符合动力电池产业对正极材料的需求。
随着生产量的扩大,人力成本和折旧费用可下降50%以上。
成熟市场的磷酸铁锂价格最终会降至在6万区间内!
HuafengChiang
21
2.工艺路线的发展探讨
锂电池设计比较
(1)磷酸铁锂1.5安时18650型电池:
正极片:
面密度300g/m2,压实密度2.3g/ml;活性物质含量90%。
(2)锰酸锂1.4安时18650型电池:
正极片:
面密度380g/m2,压实密度2.8g/ml;活性物质含量92%。
(3)镍钴锰酸锂2.1安时18650型电池:
正极片:
面密度380g/m2,压实密度3.6g/ml;活性物质含量92%。
负极采用中间相碳微球(MCMB),正负极粘结体系均采用有机体系。
HuafengChiang
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2.工艺路线的发展探讨
磷酸铁锂电芯成本核算
磷酸铁锂电芯成本核算(以圆柱电池18650型1.5Ah电池为例):
物质名称
磷酸铁锂隔膜壳体碳微球电解液其它合计实际成本预估每Ah成本每Wh成本
单项成本1(元)
1.5761.2511.0000.9120.7291.9687.4368.9235.9491.859
成本比例(%)
21.1916.8313.4512.269.8026.47100元元/安.时元/瓦.时
单项成本2(元)
6.5万(10万)
备注
6.648(7.072)7.978(8.487)5.318(5.658)1.662(1.768)
(1)成本1以磷酸铁锂每吨销售价13万来计算;
(2)成本2以磷酸铁锂每吨销售价6.5万和10万来计算。
HuafengChiang
23
2.工艺路线的发展探讨
锰酸锂电芯成本核算
锰酸锂电芯成本核算(以圆柱电池18650型1.4Ah电池为例):
物质名称
锰酸锂隔膜壳体碳微球电解液其它合计实际成本预估每Ah成本每Wh成本
单项成本1(元)
1.2411.4151.0000.9210.7311.9447.2528.7026.2161.680
成本比例(%)
17.1119.5113.7912.7010.0826.81100元元/安.时元/瓦.时
单项成本2(元)
1.862(23.65%)
备注
7.8739.4486.7481.824
(1)成本1以锰酸锂每吨销售价8万来计算;
(2)成本2以锰酸锂每吨销售价12万来计算。
HuafengChiang
24
2.工艺路线的发展探讨
三元系电芯成本核算
镍钴锰酸锂电芯成本核算(以圆柱电池18650型2.1Ah电池为例):
物质名称
镍钴锰酸锂隔膜壳体碳微球电解液其它合计实际成本预估每Ah成本每Wh成本
单项成本1(元)
4.9331.4941.0001.0881.0852.25211.85214.2226.7731.881
成本比例(%)
41.6212.608.449.189.1519.00100元元/安.时元/瓦.时
HuafengChiang
单项成本2(元)
备注
(1)成本1以三元系每吨销售价30万来计算;
(2)成本2以三元系每吨销售价18万来计算。
25
2.工艺路线的发展探讨
车用电池成本分析
物质名称
每Wh成本(元)36V10Ah电池组成本42V24Ah电池组成本320V120Ah电池组成本400V300Ah电池组成本
磷酸铁锂1
1.859
磷酸铁锂2
1.768
磷酸铁锂3
1.662
锰酸锂
1.680
镍钴锰酸锂
1.881
669.2
636.5
598.32
604.8
677.16
1873.9
1782.1
1675.3
1693.4
1896.0
71385.6
67891.2
63820.8
64512.0
72230.4
223080
212160
199440
201600
225720
HuafengChiang
26
2.工艺路线的发展探讨
成本定价策略探讨
设定磷酸铁锂价格为Pf,锰酸锂价格为Pm,当两者wh成本相等时满足下面关系式:
(5.86+1.576*Pf/13)/1.5/3.2=(6.011+1.241*Pm/8)/1.4/3.7;
Pf=1.186Pm-23.917;
上面涉及成本为每公斤单价,单位为元/公斤。
HuafengChiang
27
2.工艺路线的发展探讨
成本对比曲线图
HuafengChiang
28
2.工艺路线的发展探讨
正极材料点评
就现状而言,锰酸锂材料因为良好的加工性和较低的成本在便携式电子产品和动力电池等领域都有广阔的应用;但随着磷酸铁锂正极材料成本的持续下降,锰酸锂的市场空间会受到极大地抑制,其成本优势将不复存在。
考虑到电池的安全性和循环寿命等综合表现,磷酸铁锂电池将在未来的动力电池市场占据主导地位。
HuafengChiang
29
2.工艺路线的发展探讨
电池容量和平台统计项目比表面积振实密度D10D50D90测试条件:
2.0V~4.2V,35℃恒温0.2C首次充电容量0.5C放电最高值1C放电最高值3.3V以上0.5C放电效率3.3-3.2V0.5C放电效率3.3V以上1C放电效率3.2V以上1C放电效率15414714391.2%2%86.6%90.6%
HuafengChiang
A9.171.321.281.732.9
B12.181.1161.181.974.02
C13.871.12581.593.768.68
D18.50.791.666.8418.82
16215615388%3%86.6%89.7%
15114013489%2%86%89.1%
15715315093%1.4%89%93%
30
2.工艺路线的发展探讨
电池性能小结
从材料克容量发挥上来看,磷酸铁和草酸亚铁路线有较大优势,据了解目前部分厂家比较好的扣式电池结果为0.2C克容量155mAhg-1左右,1C克容量可达到150mAhg-1,在成品电池中1C净粉放电容量可达142mAhg-1。
HuafengChiang
31
2.工艺路线的发展探讨
工艺的优化选择
工艺路线(铁源选择)
草酸亚铁氧化铁红1(V系)氧化铁红2(复合)磷酸铁
关键难题
形貌控制?
降低成本举措
提升产量
(1)控制磷酸二氢锂成本
(2)提升产量提升产量
(1)控制磷酸铁成本,
(2)提升产量
最终成本预估(元/吨)
57980
克容量?
N/A
无重大难题
46229
降低成本
48230
HuafengChiang
32
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
汽车产业发展
1.国内汽车需求量统计情况;
2.国内汽车保有量和增长率统计;
3.国内原油年产量和进口产量对比;
注:
上面所述汽车仅包括乘用车、商用车和交叉车三类。
HuafengChiang
33
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
中国汽车产业发展
国内汽车需求量统计
1000902900800700需求量((万两)60050040030020010001996199719981999200020012002
年份(年)
4540
国内汽车需求量
843
年度增长率
700
3530252015210238增长率增长率(%)
5775094463331871621641520200320042005200620072008
105
1998-2008年是中国汽车市场迅速扩张的事情,汽车销售量年均增长18.6%。
HuafengChiang
34
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
中国汽车产业发展汽车保有量和增长率
54004800435842003600保有量(万两万两)316030002400180012006000199819992000200120022003年份(年)20042005200620072008269423832053180214531319420108612497520181614增长率(%)
汽车保有量年度增长率
3697
HuafengChiang
35
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
中国汽车产业发展国内原油产量和进口量
45000400003500030000
进口量国内生产量
产量(万吨万吨)
171639748
19453
21139
2500020000150001000050000
3673756
138319901
1630015005
1995
2000
181200535年份(年)
184772006
186200732
189002008
HuafengChiang
36
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
我国汽车行业发展
截至2008年底,我国的汽车保有量已经高达6467万辆(包括客车和卡车),成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。
据国务院发展研究中心估计,2020年我国汽车保有量将达到将高达1.31亿辆。
随着汽车数量的增多,汽车排放的二氧化碳量急剧增加,加速了地球变暖趋势。
当前,二氧化碳的排放中有25%来自汽车。
据有关部门测算,每燃烧1亿吨油将产生二氧化碳3亿吨,按中国2008年原油产量4亿吨计算,约产生二氧化碳12亿吨。
2006年,我国的二氧化碳排放总量达62.3亿吨,占全球二氧化碳排放的23%,已超过美国成为世界第一,其中新增排放占全球新增排放的2/3。
2007年,我国的二氧化碳排放总量达67.2亿吨,比美国高出14%,占全球二氧化碳排放的24%,美国占21%,欧盟15国占12%,印度为8%,俄罗斯占6%。
因此作为世界上二氧化碳气体最大排放国的中国和美国。
法国总统尼古拉萨科奇于2009年9月10日做出了决断:
每吨二氧化碳的起始价格定为17欧元.欧盟计划对使用燃料产生的二氧化碳征收每吨30欧元(45美元)的税,同时建议对使用供暖用煤、柴油、煤油和天然气征收较低的10欧元每吨的税。
杨裕生院士呼吁:
100万辆公交车,1000万辆轿车,每天可以代替20万吨汽油。
HuafengChiang
37
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
美国新能源汽车
近些年美国新能源汽车销售情况
403530
37.131.425.321
销售量(万辆万辆)
2520151050
4.822001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年
数据来源:
美国商务部。
年份(年)
HuafengChiang
38
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
日本新能源汽车
丰田混合动力销售情况
200180160140
170
万两)累计销售(万两
12010080604020
45.841250
0
1997年
2004年9月
2005年10月年份(年)
2006年
2009年1月
HuafengChiang
39
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
国内混合动力车
国内混合动力车概况
厂商车型价格动力发动机排量发动机功率电动机功率电池配置补助比亚迪上海通用君越ECO-Hybrid26.99万元HEV2.4L125KW7KW36V17Ah镍氢电池2.8万元长安汽车杰勋16万元HEV1.5L72KW10KW镍氢电池3.2万元丰田汽车普锐斯24.98万元HEV1.5L57KW50KW6.5Ah镍氢电池4.2万元一汽股份奔腾HEV20万元HEV1.3L67KW10KW镍氢电池4.2万元奇瑞汽车奇瑞A5BSG7.48万元HEV1.5L59KW10KW镍氢电池0.4万元华晨汽车中华尊驰HEVHEV1.8L125KW10KW镍氢电池4.2万元
F3DM14.98万元PHEV1L125KW37KW45Ah铁锂电池5万元
HuafengChiang
40
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
新能源汽车瓶颈
能量密度一致性循环性能
电池成本使用成本
充电站快速充电
HuafengChiang
41
3.磷酸铁锂产业的发展探讨
成本分析
在电动汽车中,基于动力电池、电机、电力电子等关键部件成本占整车成本的30%至50%。
其中电
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