磷酸铁锂的工艺路线探讨和发展

磷酸铁锂的工艺路线探讨和发展蒋华锋二0一0年五月Huafeng Chiang1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内容概要Huafeng Chiang21.磷酸铁锂产业化现状典型厂家铁锂材料生产商生产厂家技术路线产品特性综合评估A123systems草酸亚铁高倍率STL较高容量和倍率PULEAD高平台GX-TECH较高容量和倍率ZN较高容量和倍率VALENCE氧化铁红稳定性好，易加工FPG-CY稳定性好，易加工Phostech磷酸铁易加工；高倍率DATUNG高容量和高倍率Aleees高容量Huafeng Chiang31.磷酸铁锂产业化现状厂家总结工艺路线（铁源选择）原材料成本（元/吨）生产设备投资(万元）路线瓶颈草酸亚铁53500（42200）700成本略高，品质不易稳定控制。氧化铁红1（V系）55000450容量不理想，产品性价比偏低。氧化铁红2（复合）40000400产业化经验需要摸索磷酸铁58500400现阶段原材料成本过高，比例超过50%。Huafeng Chiang41.磷酸铁锂产业化现状路线比较以年产300吨为例：Huafeng Chiang51.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。Huafeng Chiang62.工艺路线的发展探讨铁源追溯草酸亚铁氧化铁红磷酸铁硫酸亚铁磷酸草酸氢氧化钠氢氧化钠双氧水双氧水氨水还原铁粉工业硫酸Huafeng Chiang72.工艺路线的发展探讨磷源追溯Huafeng Chiang82.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。Huafeng Chiang92.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。工艺路线（铁源选择）产率（%）百分比（%）备注草酸亚铁47.657.3两次烧成，有机体系氧化铁红1（V系）83.1100水系氧化铁红2（复合）66.479.9水系或有机系磷酸铁68.6（81.4）98.0水系Huafeng Chiang102.工艺路线的发展探讨烧失率统计很显然，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！Huafeng Chiang112.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%。项目成本（元/吨）成本比例（%）备注原材料4220063.21考虑溶剂回收水力和电力700010.49人力成本1270019.02折旧费用48617.28折旧基数：700万元合计66761100不考虑回收，每吨成本增加16000元。Huafeng Chiang122.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）成本比例（%）备注原材料5950072.05磷酸铁成本在总体成本比例50%以上。水力和电力76009.20人力成本1270015.38折旧费用27783.36折旧基数：400万元合计82578100Huafeng Chiang132.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）：Huafeng Chiang142.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。Huafeng Chiang152.工艺路线的发展探讨正磷酸铁工艺流程主要生产设备一览表序号规格型号设备名称材质数量12000L反应釜SU316L322000L高位槽SU30413800mm离心机SU316L342000L干燥箱SU30425100Kg/h粉碎机SU3041Huafeng Chiang162.工艺路线的发展探讨主要生产设备序号名称单价(元/吨）吨耗用量（吨）吨耗费用（元）成本比例（%）1硫酸亚铁46001.52699258.532工业磷酸40000.62248020.763氢氧化钠25000.4511259.424氧化剂12001.00120010.045去离子水1015.001501.26产品正磷酸铁11947产率95%12576元/吨Huafeng Chiang172.工艺路线的发展探讨磷酸铁原料成本核算考虑到加工费用、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。Huafeng Chiang182.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3.54 t 的绿矾，年副产绿矾量255340万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。Huafeng Chiang192.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。项目成本（元/吨）成本比例（%）备注原材料3200058.10磷酸铁成本在总体成本比例35%以下。水力和电力7600人力成本12700折旧费用2778折旧基数：400万元合计55078成本下降27500元Huafeng Chiang202.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）：Huafeng Chiang212.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！Huafeng Chiang222.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。物质名称单项成本1（元）成本比例（%）单项成本2（元）备注磷酸铁锂1.57621.196.5万（10万）（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。隔膜1.25116.83壳体1.00013.45碳微球0.91212.26电解液0.7299.80其它1.96826.47合计7.4361006.648（7.072）实际成本预估8.923元7.978（8.487）每Ah成本5.949元/安.时5.318（5.658）每Wh成本1.859元/瓦.时1.662（1.768）Huafeng Chiang232.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）：物质名称单项成本1（元）成本比例（%）单项成本2（元）备注锰酸锂1.24117.111.862（23.65%）（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。隔膜1.41519.51壳体1.00013.79碳微球0.92112.70电解液0.73110.08其它1.94426.81合计7.2521007.873实际成本预估8.702元9.448每Ah成本6.216元/安.时6.748每Wh成本1.680元/瓦.时1.824Huafeng Chiang242.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）：物质名称单项成本1（元）成本比例（%）单项成本2（元）备注镍钴锰酸锂4.93341.62（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。隔膜1.49412.60壳体1.0008.44碳微球1.0889.18电解液1.0859.15其它2.25219.00合计11.852100实际成本预估14.222元每Ah成本6.773元/安.时每Wh成本1.881元/瓦.时Huafeng Chiang252.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）：物质名称磷酸铁锂1磷酸铁锂2磷酸铁锂3锰酸锂镍钴锰酸锂每Wh成本(元）1.8591.7681.6621.6801.88136V10Ah电池组成本669.2636.5598.32604.8677.1642V24Ah电池组成本1873.91782.11675.31693.41896.0320V120Ah电池组成本71385.667891.263820.864512.072230.4400V300Ah电池组成本223080212160199440201600225720Huafeng Chiang262.工艺路线的发展探讨车用电池成本分析Huafeng Chiang272.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。Huafeng Chiang282.工艺路线的发展探讨成本对比曲线图Huafeng Chiang292.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。统计项目ABCD比表面积9.1712.1813.8718.5振实密度1.321.1161.12580.79D101.281.181.591.66D501.731.973.766.84D902.94.028.6818.82测试条件：2.0V4.2V,35恒温0.2C首次充电容量1541621511570.5C放电最高值1471561401531C放电最高值1431531341503.3V以上0.5C放电效率91.2%88%89%93%3.3-3.2V0.5C放电效率2%3%2%1.4%3.3V以上1C放电效率86.6%86.6%86%89%3.2V以上1C放电效率90.6%89.7%89.1%93%Huafeng Chiang302.工艺路线的发展探讨电池容量和平台Huafeng Chiang312.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。工艺路线（铁源选择）关键难题降低成本举措最终成本预估（元/吨）草酸亚铁形貌控制？提升产量57980氧化铁红1（V系）克容量？（1）控制磷酸二氢锂成本（2）提升产量N/A氧化铁红2（复合）无重大难题提升产量46229磷酸铁降低成本（1）控制磷酸铁成本，（2）提升产量48230Huafeng Chiang322.工艺路线的发展探讨工艺的优化选择Huafeng Chiang333.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。902国内汽车需求量843年度增长率700577509446333187162164210238152需求量（万两）增长率（%）Huafeng Chiang343.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200100010009008001996199719981999200020012002200320042005200620072008年份（年）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%。1050700306002550020400153004540354975汽车保有量4358年度增长率36973160269423832053180214531319保有量（万两）增 长 率（%）Huafeng Chiang353.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1200600054004800420019981999200020012002200320042005200620072008年份（年）420143600123000102400818006201816进口量国内生产量1716319453211399748367375613831163001500518135184771863218900产量（万吨）Huafeng Chiang363.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4500040000350003000025000200001500010000500001990199520002005200620072008年份（年）Huafeng Chiang373.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。37.131.425.3214.82销售量（万辆）Huafeng Chiang38数据来源：美国商务部。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40353025201510502001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年年份（年）17045.841250累计销售（万两）Huafeng Chiang393.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2001801601401201008060402001997年2004年9月2005年10月2006年2009年1月年份（年）国内混合动力车概况厂商比亚迪上海通用长安汽车丰田汽车一汽股份奇瑞汽车华晨汽车车型F3DM君越ECO-Hybrid杰勋普锐斯奔腾HEV奇瑞A5BSG中华尊驰HEV价格14.98万元26.99万元16万元24.98万元20万元7.48万元-动力PHEVHEVHEVHEVHEVHEVHEV发动机排量1L2.4L1.5L1.5L1.3L1.5L1.8L发动机功率125KW125KW72KW57KW67KW59KW125KW电动机功率37KW7KW10KW50KW10KW10KW10KW电池配置45Ah铁锂电池36V17Ah镍氢电池镍氢电池6.5Ah镍氢电池镍氢电池镍氢电池镍氢电池补助5万元2.8万元3.2万元4.2万元4.2万元0.4万元4.2万元Huafeng Chiang403.磷酸铁锂产业的发展探讨国内混合动力车Huafeng Chiang413.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Huafeng Chiang423.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。其中电池的成本较大，一个电动行驶100公里的家用汽车（按每1千瓦时可行驶10公里计算），锂电池价格平均3000元/千瓦时*10千瓦时=3万元；若将续航里程提高到300公里，则电池的价格将接近10万元。按电池能量密度90瓦时/公斤来计算，电池组重量约为330公斤，约占汽车重量的30%左右。按目前汽车百公里油耗6升计算，按北京地区2010年5月5日93号汽油单价6.92元/升计算，每公里节省费用40.62元，电池花费需要行驶7.4万公里才能收回成本。Huafeng Chiang433.磷酸铁锂产业的发展探讨应用范围应用领域电池配置材料耗量市场概况折算用量风光互补路灯24V-100Ah7公斤亚东证券估计大陆市场2010年LED路灯需求量为67万盏。4690吨电动自行车36V-10Ah1公斤2008年中国共销售2100万辆电动自行车，其中铅酸电池占据90%以上，镍氢次之，锂电池仅占1%。21000吨电动工具36V-2.3Ah0.20公斤亚东证券估计全球需求量5.47亿颗18650，目前市场85%被镍镉电池占据。5470吨电动汽车300V-200Ah160公斤“十城千辆”示范项目，到2010年在13个城市推广至少3万辆新能源车的运行。4800吨电动大巴500V-400Ah550公斤Huafeng Chiang443.磷酸铁锂产业的发展探讨市场概况Huafeng Chiang453.磷酸铁锂产业的发展探讨市场机遇浙江绿源电动车公司董事长倪捷给媒体算了一笔帐：“17公斤的电池，6公斤的电机，8公斤的车架、轮圈，还有七七八八的龙头等配件，除非用更轻的锂电池，不超过40公斤很难 。以36V10AH电池组为例，铅酸电池重量在12公斤以上，锂电池重量不超过4公斤。Huafeng Chiang463.磷酸铁锂产业的发展探讨市场策略电动汽车发展的形势已经趋于明朗，但要克服技术难题、进一步降低制造成本保守估计还需要35年的成熟期，发展电动汽车是我们的战略目标，但我们目前的重点必须放在电动工具、电动自行车和路灯市场。“谋生存求发展”是我们现阶段的重要任务。Huafeng Chiang47苏威 ：6020，5030；吴羽化学：KF 7200；水性粘结体系：LA135，F105/F105A系列；两种加工工艺对原材料的要求有何区别？哪种才是发展的主流？3.磷酸铁锂产业的发展探讨加工工艺探讨有机粘结剂体系：阿科玛 ：HSV 900;Huafeng Chiang483.磷酸铁锂产业的发展探讨pH关注pH对合浆过程中的影响如何？影响磷酸铁锂pH值的因素有哪些？合成路线和成品pH值的相关性如何？Huafeng Chiang493.磷酸铁锂产业的发展探讨添加剂碳源如何筛选和优化？离子掺杂的功能性究竟如何？磷酸铁锂的高温性能如何改性？Huafeng Chiang503.磷酸铁锂产业的发展探讨电池发展探讨如何看待A123的电芯形式变化？Huafeng Chiang513.磷酸铁锂产业的发展探讨值得关注的材料Huafeng Chiang523.磷酸铁锂产业的发展探讨值得关注的材料谢谢！