磷酸铁锂的工艺路线探讨和发展

1、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 Chiang 1 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 Chiang 2 1.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

2、Aleees 高容量 Huafeng Chiang 3 1.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 Chiang 4 1.磷酸铁锂产业化现状 路线比较 以年产300吨为例： Huafeng Chiang 5 1.磷酸铁锂产业化现状 简要分析 （1）草酸

3、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

4、 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 Chiang 6 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 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 Chiang 7 2.工艺路线的发展探讨 磷源追溯 Huafeng Chiang 8 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

5、，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 Chiang 9 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。 工艺路线 （

6、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 Chiang 10 2.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 Chiang 11 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

7、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 Chiang 12 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） 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7600

8、9.20 人力成本1270015.38 折旧费用27783.36折旧基数：400万元 合计82578100 Huafeng Chiang 13 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）： Huafeng Chiang 14 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。

9、（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 Chiang 15 2.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 SU316L3 22000L 高位槽 SU3041 3800mm 离心机 SU316L3 42000L 干燥箱 SU3042 5100Kg/h 粉碎机 SU3041 Huafeng Chiang 16 2.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 4600

10、1.52699258.53 2 工业磷酸 40000.62248020.76 3 氢氧化钠 25000.4511259.42 4 氧化剂 12001.00120010.04 5 去离子水 1015.001501.26 产品正磷酸铁 11947 产率95% 12576 元/吨 Huafeng Chiang 17 2.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 Chiang 18 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

11、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 Chiang 19 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。 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

12、。 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 Chiang 20 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）： Huafeng Chiang 21 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！ Huafeng Chiang 22 2.工艺路线的发展探讨 锂电池设

13、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

14、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 Chiang 23 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）： 物质名称单项成本1 （元） 成本比

15、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1.824 Huafeng Chiang 24 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

16、.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 Chiang 25 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.

17、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） 1.8591.7681.6621.6801.881 36V10Ah 电池组成本 669.2636.5598.32604.8677.16 42V24Ah 电池组成本 1873.91782.11675.31693.41896.0 320V120Ah 电池组成本 71385.667891.263820.864512.072230.4 400V300Ah 电池组成本 223080212160199440201600225720 Huafeng Chiang 26 2.工艺路线的发展探讨 车用电池成本分析 H

18、uafeng Chiang 27 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。 Huafeng Chiang 28 2.工艺路线的发展探讨 成本对比曲线图 Huafeng Chiang 29 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

19、；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1.321.1161.12580.79 D101.281.181.591.66 D501.731.973.766.84 D902.94.028.6818.82 测试条件：2.0V4.2V,35恒温 0.2C首次充电容量154162151157 0.5C放电最高值147156140153 1C放电最高值143153134150 3.3

20、V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 Chiang 30 2.工艺路线的发展探讨 电池容量和平台 Huafeng Chiang 31 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-

21、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 48230 Huafeng Chiang 32 2.工艺路线的发展探讨 工艺的优化选择 Huafeng Chiang 33 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

22、和交叉车三类。 902 国内汽车需求量 843 年度增长率 700 577 509 446 333 187 162164 2 1 0 238 152 需求量（万两） 增长率（%） Huafeng Chiang 34 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 200 100 0 1000 900 800 1996199719981999200020012002200320042005200620072008 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%。 10 5 0 700 30 600 25 500 20 400 15 3

23、00 45 40 35 4975 汽车保有量 4358 年度增长率 3697 3160 2694 2383 2053 1802 1453 1319 保有量（万两） 增 长 率 （ %） Huafeng Chiang 35 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 1200 600 0 5400 4800 4200 19981999200020012002200320042005200620072008 年份（年） 4 2 0 14 3600 12 3000 10 2400 8 1800 6 20 18 16 进口量 国内生产量 1716 3 194532113 9 97

24、48 3673 756 1383 1 16300 15005 1813 5 184771863 2 18900 产量（万吨） Huafeng Chiang 36 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 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1990199520002005200620072008 年份（年） Huafeng Chiang 37 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

25、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

26、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。 37.1 31.4 25.3 21 4.8 2 销售量（万辆） Huafeng Chiang 38 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 40 35

27、 30 25 20 15 10 5 0 2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年 年份（年） 170 45.8 41 25 0 累计销售（万两） Huafeng Chiang 39 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 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1997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 A5B

28、SG 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 Chiang 40 3.磷酸铁

29、锂产业的发展探讨 国内混合动力车 Huafeng Chiang 41 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 Huafeng Chiang 42 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 Chiang 43 3.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