特斯拉的Gigafactory。50GW.h的產(chǎn)量,有35GW.h自產(chǎn),還有15GW.h只是組裝。不論是自產(chǎn)還是組裝,原材料都需要鋰。估算了一下,要生產(chǎn)50GW.h電池,鋰的耗量大約三萬(wàn)兩千五百?lài)嵦妓徜嚠?dāng)量。相當(dāng)于兩個(gè)目前最大的電池級(jí)生產(chǎn)線。
一、特斯拉的鋰電池夢(mèng)想有多大
美國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)制造商特斯拉(Tesla)正在內(nèi)華達(dá)州興建一座巨型電池工廠:Gigafactory,為其電動(dòng)汽車(chē)提供電力。設(shè)計(jì)年產(chǎn)量50GW.h。預(yù)計(jì)2017年投產(chǎn),2020年達(dá)產(chǎn)。
50GW.h是什么意思?就是電池的總功率,就是相當(dāng)于50臺(tái)100兆瓦的發(fā)電機(jī)組的容量。即使效率較高的電廠,也相當(dāng)于每個(gè)小時(shí)耗標(biāo)準(zhǔn)煤一萬(wàn)五千噸。所以說(shuō)50GW.h的容量是一個(gè)相當(dāng)大的規(guī)模。
這種電池采用的是鋰電池技術(shù),跟我們手機(jī)和筆記本電腦里用的電池是一個(gè)樣,只是用在汽車(chē)上功率和電壓不同,需要許多節(jié)電池來(lái)串聯(lián)(滿(mǎn)足電壓)和并聯(lián)使用(滿(mǎn)足電流和功率)。
再具體一點(diǎn),特斯拉目前采用的是日本松下(Panasonic)18650型號(hào)的鈷酸鋰電池技術(shù)。特斯拉Model 3還擬采用電功率密度更高的20700鈷酸鋰電池。
不管使用什么型號(hào),只要是鋰電池就要用鋰,這是怎么也繞不過(guò)去的。而這卻是一個(gè)坎兒。
二、鋰電池的分類(lèi)
實(shí)際上鋰電池有兩種,一種可以是真正的鋰電池,叫作鋰原電池,用鋰金屬做成,一次使用,不能再充。還有一種就是鋰聚合物電池,叫作鋰離子電池。我們通常使用的就是后者,可充電。本文的鋰電池都是指鋰離子電池。
鋰電池主要有四大組件:正極,負(fù)極,電解液和隔膜。正極是由鋰晶體組成的,電解液里也有鋰。隔膜把正負(fù)極隔開(kāi)。當(dāng)充電的時(shí)候,鋰離子就會(huì)在電解液力穿過(guò)隔膜從一邊到另外一邊,放電的時(shí)候就又回來(lái)。正負(fù)極就相當(dāng)于房子,鋰離子就在充電和放電中來(lái)回搬家。
鋰離子的質(zhì)量好壞,就取決于這房子的好壞。如果鋰離子兩邊走的時(shí)候,房子倒了一些,或者把鋰?yán)渔i住出不去了,你的電池就使用時(shí)間不長(zhǎng)。如果房子一直完好,就可以反復(fù)充電下去而不減少容量。
當(dāng)然這個(gè)房子的比喻只是一個(gè)方面,如果鋰離子在游蕩的過(guò)程中產(chǎn)生熱,就會(huì)存在安全問(wèn)題。如果隔膜破裂就會(huì)出現(xiàn)短路問(wèn)題等等等等。
鋰電池的原理很簡(jiǎn)單,制作工藝也不復(fù)雜。一個(gè)研究生在實(shí)驗(yàn)室里,有一個(gè)手套箱一個(gè)馬弗爐再加上一些鍋碗瓢盆就可以自制鋰電池。
鋰電池易做,但是鋰電池要做好,卻是十分困難的事情。這就像炒菜,原材料要好,火候等都重要。這里只說(shuō)原材料中最關(guān)鍵的一種:鋰原材料。
三、鋰從哪里來(lái)?
鋰電池中的正極和電解液都需要鋰,其中正極用的鋰最多。正極材料有很多種,比如鎳鋰,鑷鈷鋰,錳鋰和磷酸鋰鐵等。什么樣的正極材料就叫什么電池。比如特斯拉用的鈷酸鋰電池就是用鈷酸鋰LiCoO2為正極材料。
正極材料中的鋰主要來(lái)自?xún)煞N產(chǎn)品:碳酸鋰和氫氧化鋰。目前,碳酸鋰占多數(shù),氫氧化鋰占少數(shù)。但特斯拉用的鈷酸鋰正極卻是采用氫氧化鋰工藝,所以氫氧化鋰在最近開(kāi)始走俏。
碳酸鋰和氫氧化鋰的上游原材料有兩種:一種是鋰輝石(spodumene),一種氧化鋰含量在8%的硅鋁鋰晶體礦石。還有一種是鹽湖中的鹵水(brine)。鋰不是什么稀缺金屬,到處都有。海水里就有,但濃度太低。美洲還有鋰粘土,目前還處于研發(fā)階段。有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值而且有商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的就只有鋰輝石和鹽湖鹵水這兩種。
鋰輝石是一種硬石礦。一般含有1%左右的氧化鋰。只有澳大利亞西澳Greenbushes的礦是特例,氧化鋰含量4%左右。所以目前只有Greenbushes的鋰輝石礦在開(kāi)采,其它礦成本較高或尚未開(kāi)發(fā)或停產(chǎn)。最近幾個(gè)月,碳酸鋰價(jià)格猛漲,含氧化鋰1%的鋰輝石礦也開(kāi)始變得有開(kāi)采價(jià)值了。這些礦主要在澳大利亞的西澳州和加拿大的魁北克省。中國(guó)也有幾個(gè)礦。
鹽湖鹵水一般鋰含量在0.6%到0.8%之間,都在大陸鹽湖中。海水中的鋰含量太低,沒(méi)有開(kāi)采價(jià)值。鋰鹽湖主要分布在智利、阿根廷和玻利維亞交界處的一個(gè)三角地帶(也叫鋰三角),以及中國(guó)的青海和西藏。
四、如何從礦石中提取鋰
鹽湖鹵水的鋰已經(jīng)在鹵水里面,但濃度還是太低,需要濃縮才能提取。好在鹵水一般都在干燥多風(fēng)的高原?梢园邀u水抽進(jìn)鹽池里,靠太陽(yáng)曬,大風(fēng)吹來(lái)濃縮。鋰一般濃縮到2%左右就可以加工。通常的辦法就是加入蘇打(碳酸鈉),和濃縮過(guò)鹵水中的氯化鋰反應(yīng)就形成了碳酸鋰和食鹽。碳酸鋰溶解度很低,就成了固體,這個(gè)過(guò)程叫作沉鋰。沉出來(lái)的粗碳酸鋰就可以進(jìn)一步加工提純成電池級(jí)的碳酸鋰或者氫氧化鋰了。
鋰輝石礦在礦脈中,需要爆破開(kāi)采,就像采石頭是一個(gè)樣。但原礦含量不高,需要破碎后提取精礦。通常的做法是重選和浮選。重選就是弄一種液體,比如比重是2.8,把破碎了的礦石放進(jìn)去,比2.8輕的就上浮,種的下沉。含鋰的鋰輝石比較重,就下沉。石英等比較輕的就上漂,于是就分開(kāi)來(lái)了。重選適合于粗顆粒。有些鋰輝石礦晶粒很小,需要磨得更細(xì)才能跟雜質(zhì)分開(kāi)。這樣的顆粒不能重選,要浮選。浮選的原理很簡(jiǎn)單,就像家里煮肉,上面漂浮的血雜質(zhì)就是粘在氣泡上漂上來(lái)的。選礦一樣,就是加了藥劑,使得有用的東西容易粘在氣泡上,雜質(zhì)留在水里。或者反之。這樣把細(xì)礦放進(jìn)水中,往里吹氣泡就把礦石浮選上來(lái)。選好的精礦,一般含氧化鋰5%到6%。
鋰輝石中的鋰在晶格里面,鋰輝石是頑石,酸堿不侵。可是把鋰輝石放到窯爐里加熱到1000多度,鋰輝石就會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu),體積膨脹而松散,就像爆米花一樣。燒過(guò)的料加了硫酸加熱到250度就跟晶體中的鋰就形成硫酸鋰。硫酸鋰溶于水,把燒過(guò)的酸化了的料放入水中,硫酸鋰就溶入水,而其它雜質(zhì)就會(huì)留在固渣里。進(jìn)行過(guò)濾,就可得到硫酸鋰溶液。就像泡茶水是一個(gè)道理。把蘇打加入硫酸鋰溶液反應(yīng),就可成為碳酸鋰和硫酸鈉。碳酸鋰溶解度很低,沉出固體,硫酸鈉則留在溶液里。
鹽湖鋰鹵水儲(chǔ)量豐富,又加上在曬鹽的時(shí)候可以提取鉀肥,總算下來(lái)比較便宜。但鹽湖在邊遠(yuǎn)地區(qū),建廠和運(yùn)行都十分困難。而且鹵水中的雜質(zhì)比較多,特別是鎂含量很高,技術(shù)上比較困難。南美鹽湖提鋰的幾大公司,靠著價(jià)格優(yōu)勢(shì),幾十年來(lái)技術(shù)沒(méi)有進(jìn)步,生產(chǎn)出來(lái)的碳酸鋰不夠電池級(jí)的水平。而中國(guó)的鹽湖則含鎂過(guò)高,分離困難。生產(chǎn)很不容易,產(chǎn)量和質(zhì)量都存在著許多問(wèn)題。新的鹵水項(xiàng)目初投資大,時(shí)間廠。而且鹽湖鹵水提鋰靠天吃飯,一場(chǎng)大雨就可把鹽池稀釋而影響產(chǎn)量。這就給礦石提鋰留下了空間。目前世界上絕大多數(shù)的高端正極材料都是用鋰輝石礦中提取的碳酸鋰和氫氧化鋰來(lái)制造的。
五、鋰的供應(yīng)取決于投資、技術(shù)資源和時(shí)間
繞了一大圈,我們言歸正傳,回來(lái)看看特斯拉的Gigafactory。50GW.h的產(chǎn)量,有35GW.h自產(chǎn),還有15GW.h只是組裝。不論是自產(chǎn)還是組裝,原材料都需要鋰。我估算了一下,要生產(chǎn)50GW.h電池,鋰的耗量大約三萬(wàn)兩千五百?lài)嵦妓徜嚠?dāng)量。相當(dāng)于兩個(gè)目前最大的電池級(jí)生產(chǎn)線。
特斯拉的美夢(mèng)是通過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)降低電池的生產(chǎn)成本。要是特斯拉的美夢(mèng)成真,再加上其它汽車(chē)公司和電池公司的需求,鋰材料的需求增量翻倍不是問(wèn)題。問(wèn)題是哪來(lái)這么高質(zhì)量又便宜的鋰材料。我相信特斯拉也意識(shí)到了這一點(diǎn),他們?cè)诜e極跟各大生產(chǎn)商進(jìn)行接觸尋求貨源。但特斯拉不會(huì)有精力直接進(jìn)行原材料生產(chǎn)投資。
碳酸鋰和氫氧化鋰的生產(chǎn)不便宜。過(guò)去幾年來(lái),電池級(jí)鋰材料生產(chǎn)廠商的利潤(rùn)非常薄,再要求降價(jià)以降低電池價(jià)格已經(jīng)沒(méi)有了空間。好在鋰材料在整個(gè)電池鏈中的成本份額不高,特斯拉電池的降價(jià)只能靠規(guī);徒档推渌牧系倪M(jìn)價(jià)。
即使高價(jià)格可以接受,原材料的供應(yīng)也不是那么容易滿(mǎn)足。問(wèn)題不是鋰的資源。從目前探明的鋰儲(chǔ)量來(lái)看,完全可以支持鋰需求的大規(guī)模增長(zhǎng)。問(wèn)題在于投資、技術(shù)資源和時(shí)間。
首先看看投資。自2010年以來(lái),在鋰原材料的投資大約15億美元。除了中國(guó)之外,世界上有數(shù)家公司進(jìn)行可行性研究,至今大多還處在講故事階段。只有三個(gè)項(xiàng)目進(jìn)入了實(shí)施階段:澳大利亞西澳銀河鋰業(yè)的江蘇碳酸鋰項(xiàng)目(現(xiàn)在天齊鋰業(yè)擁有)和加拿大魁北克省的魁北克鋰業(yè)(后來(lái)為RB Energy)都是鋰輝石提鋰。第三個(gè)是鹽湖提鋰,也就是澳大利亞布里斯班的Orocobre在阿根廷的Juluy省的鹽湖項(xiàng)目。三個(gè)項(xiàng)目中,只有銀河鋰業(yè)成功大批量生產(chǎn)了電池級(jí)產(chǎn)品。RB Energy魁北克鋰業(yè)2014年六月開(kāi)始出產(chǎn)品到同年九月停產(chǎn)倒閉,只生產(chǎn)了100來(lái)噸產(chǎn)品,無(wú)一達(dá)到電池級(jí)指標(biāo)。Orocobre的項(xiàng)目從2015年四月開(kāi)始生產(chǎn),到2015年十月總共生產(chǎn)了不足1000噸產(chǎn)品,電池級(jí)產(chǎn)品寥寥。目前還在艱難地爬升階段,生死未卜。
除了銀河資源的碳酸鋰項(xiàng)目,這十?dāng)?shù)億美元的投資打了水漂。這嚴(yán)重的影響了電池原材料方面的投資熱情。這就造成了目前碳酸鋰和氫氧化鋰的漲價(jià)。漲價(jià)為生產(chǎn)廠商增加了利潤(rùn),也增加了進(jìn)一步投資的動(dòng)力。
可是有了錢(qián)就能解決問(wèn)題嗎?當(dāng)然不是,還有一個(gè)時(shí)間和技術(shù)資源問(wèn)題。
我們先看看以前的幾個(gè)項(xiàng)目:
魁北克項(xiàng)目自2011年10月份破土動(dòng)工,2014年六月才開(kāi)始出產(chǎn)品,到2014年九月停產(chǎn),一共生產(chǎn)了100多噸碳酸鋰次品,耗資達(dá)數(shù)億多美元(不好公布數(shù)字)。工廠沒(méi)有完全建成,遑論完成調(diào)試。
Orocobre的阿根廷鹽湖項(xiàng)目2011年完成可研,投資2.5億美元,2015年4月生產(chǎn)出第一批產(chǎn)品,到10月月產(chǎn)只有316噸,少量電池級(jí)產(chǎn)品。這個(gè)項(xiàng)目即使能夠生存,要實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)和達(dá)到電池級(jí)要求,還有一段漫長(zhǎng)的路要走。就是比較成功的銀河碳酸鋰廠,2010年二月破土動(dòng)工,到第一批量產(chǎn),也用了兩年多時(shí)間,這已經(jīng)歷史上少有的速度了。
礦石提鋰廠的建設(shè)周期較短,即使如此,從破土動(dòng)工到出第一批產(chǎn)品最少也要兩年以上。如果加上可行性研究和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,至少三年才能建造一個(gè)廠。廠子建好后,還需要一到兩年的達(dá)產(chǎn)時(shí)間。而鹵水提鋰的時(shí)間則更長(zhǎng)。因?yàn)辂}池建好后,至少需要兩年的曬鹽過(guò)程,才能開(kāi)始使用。雖然處理廠相對(duì)簡(jiǎn)單,但考慮到地區(qū)邊遠(yuǎn),其建設(shè)和調(diào)試時(shí)間只能長(zhǎng),不可能短。Orocobre的例子就是如此。
也就是說(shuō),即使有足夠的資金,現(xiàn)在就開(kāi)始設(shè)計(jì),也不能保證2020年達(dá)產(chǎn)。達(dá)產(chǎn)以后,產(chǎn)品還需要半年到一年的驗(yàn)證期。何況特斯拉在2017年就要開(kāi)始出產(chǎn)品,確實(shí)不容易滿(mǎn)足其要求。
我曾經(jīng)幫助分析這些失敗項(xiàng)目。表面上看似是因?yàn)樨?cái)務(wù)原因,實(shí)則因?yàn)槠渌虬压S拖垮。一個(gè)主要的原因就是技術(shù)資源的匱乏。西方國(guó)家自上個(gè)世紀(jì)五六十年代一直沒(méi)有新廠建設(shè),造成了技術(shù),設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員匱乏。工程公司缺乏設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),真正懂行的老一代人員已經(jīng)退出了舞臺(tái),造成了設(shè)計(jì)上和運(yùn)行上的巨大問(wèn)題。
投資者往往看重硬件,而常常忽略這些最重要的軟件問(wèn)題。
六、為什么特斯拉美夢(mèng)成真取決于中國(guó)鋰行業(yè)的表現(xiàn)?
那么答案在哪里?在中國(guó)的礦石提鋰。因?yàn)橹袊?guó)有資金和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
南美的鹽湖資源都在海拔三、四千米以上的高原地區(qū),遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)。要建廠并成功運(yùn)行,所需時(shí)間很長(zhǎng)。中國(guó)的鹽湖也在高原,而且鹵水中的鎂含量太高,在沒(méi)有技術(shù)突破之前,很難有突破。遠(yuǎn)水解不了近渴。
海外雖然有很多公司還在聲稱(chēng)建廠,但不太實(shí)際。因?yàn)榘拇罄麃喓图幽么蟮慕ㄔ斐杀臼侵袊?guó)的2到2.5倍。運(yùn)行成本也要高很多。
目前的狀況是,電池材料和電池的生產(chǎn)多集中在東亞,也就是中日韓三國(guó)。現(xiàn)在中國(guó)的份額變得越來(lái)越大。鋰輝石提碳酸鋰和氫氧化鋰,幾乎都在中國(guó)。
中國(guó)的鋰材料生產(chǎn)廠商,存在著兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題,一是缺乏資源需要從澳大利亞等進(jìn)口礦石。中國(guó)的鋰輝石礦在藏區(qū),環(huán)境問(wèn)題是其主要制約因素。二是工藝采用批次生產(chǎn),不連續(xù),不自動(dòng)化。三是目前最重要的增長(zhǎng)點(diǎn)在氫氧化鋰,而目前的生產(chǎn)廠商則側(cè)重在碳酸鋰。就整個(gè)中國(guó)而言(不是具體公司),礦產(chǎn)的問(wèn)題通過(guò)購(gòu)買(mǎi)和投資基本得到了解決。而生產(chǎn)工藝的缺陷,卻是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的問(wèn)題。碳酸鋰廠需要重新興建。
批次、不連續(xù)和非自動(dòng)化生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品的一致性不好。動(dòng)力電池的使用是由無(wú)數(shù)個(gè)小電池組成的電池組。這樣對(duì)電池的要求就不僅僅是單個(gè)電池的質(zhì)量,還要求電池的的一致性要好。也就是說(shuō)一組電池,如果有幾個(gè)不好的,整個(gè)電池組的使用就受到這幾個(gè)壞電池的影響,也就是人們常說(shuō)的短板效應(yīng)。通俗的說(shuō),就是一個(gè)老鼠壞了一鍋湯。一致性要好,需要每個(gè)環(huán)節(jié)的一致性都要好,其中原材料的一致性就至關(guān)重要。這樣就很難通過(guò)松下這樣的企業(yè)的技術(shù)認(rèn)證。
要解決一致性,就不能一批一批的生產(chǎn)。連續(xù)自動(dòng)控制的生產(chǎn)線才是解決問(wèn)題的方法。國(guó)際上生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)理念就是連續(xù)自動(dòng)化。但連續(xù)自動(dòng)化并不容易,一是設(shè)計(jì)不容易,缺乏經(jīng)驗(yàn);二是運(yùn)行不容易,缺乏基本隊(duì)伍。雖然中國(guó)積累了許多同類(lèi)廠的經(jīng)驗(yàn),但同樣缺乏設(shè)計(jì)和運(yùn)行現(xiàn)代自動(dòng)化廠的人員。
目前的增長(zhǎng)點(diǎn)在氫氧化鋰。而現(xiàn)在運(yùn)行的氫氧化鋰規(guī)模都過(guò)小。要興建和運(yùn)行自動(dòng)化大型化氫氧化鋰廠還有許多風(fēng)險(xiǎn)要克服。最后成功的關(guān)鍵不在資金和資源,而是在專(zhuān)業(yè)人才。
總之,特斯拉的夢(mèng)做得不小,夢(mèng)是否變成現(xiàn)實(shí),很大程度上還要看中國(guó)鋰行業(yè)接下來(lái)幾年的表現(xiàn)。
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