青海柴達(dá)木興華鋰鹽有限公司鹽田。張健供圖

近日，中科院過程工程研究所研究員齊濤、朱兆武團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的西藏、青海鹽湖提鋰新技術(shù)科技成果評價會在北京舉行。由中科院院士、清華大學(xué)教授費(fèi)維揚(yáng)擔(dān)任組長的評價專家組認(rèn)為，兩項(xiàng)新技術(shù)流程短、成本低、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)效益顯著，為鹽湖資源的高效清潔利用提供了新途徑，建議進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)示范，積極推廣應(yīng)用。

這意味著我國鋰鹽生產(chǎn)過程高度依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀將得到很大改善。“當(dāng)前鋰鹽生產(chǎn)對外依存度超過70%，由此帶來的高成本直接拉高了新能源車、手機(jī)電池等的價格。待新技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用后，其成本會大幅降低。”評價會現(xiàn)場，朱兆武告訴《中國科學(xué)報》。

沒有“包打天下”的提鋰技術(shù)

作為關(guān)鍵的能源金屬，鋰在電子器件、新能源車以及儲能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，我國鋰消費(fèi)增速明顯，從10年前的11.3萬噸增長至目前的30多萬噸，預(yù)計(jì)2030年將增至100萬噸以上。

前景看好下的“隱憂”是高度依賴進(jìn)口。“我國進(jìn)口鋰礦石的運(yùn)輸成本很高，到貨后還需要再次加工提煉，其氧化鋰的品位最高在8%左右，這意味著剩下多達(dá)90%是雜質(zhì)，算下來總成本達(dá)15萬元/噸。到了終端產(chǎn)品的新能源車，價格肯定更貴。此外，加工過程中使用的高濃度鹽酸還會帶來較重的環(huán)境污染問題。”朱兆武說。

其實(shí)，我國鋰資源并不缺乏，儲量約占世界總儲量的7%，位居第4。其中，80%以上的可開采鋰資源儲存于青海和西藏鹽湖。遺憾的是，由于青海鹽湖鎂資源含量高、鋰鎂分離困難，西藏的地理位置和自然環(huán)境等原因，雖然有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，但成本偏高。“不同鹽湖組分不同，如含鎂量、濃度、酸堿度、溫度等，很難有一種提鋰技術(shù)可以‘包打天下’，因此需要針對鹽湖自身的資源稟賦，開發(fā)相應(yīng)的提鋰技術(shù)。”朱兆武介紹。

如何針對不同鹽湖中的鋰資源進(jìn)行清潔化開發(fā)利用，同時保證低成本、高效率，是擺在科學(xué)家面前的一道難題。

新技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋰收率大于95%

在我國可開采鋰資源中，青海柴達(dá)木盆地高鎂鹽湖鋰資源占50%以上，但由于鋰鎂分離困難，目前資源利用率不足20%。

“已有的膜分離技術(shù)、吸附耦合膜技術(shù)和傳統(tǒng)溶劑萃取技術(shù)普遍存在投資大、成本高、收率低等缺陷。我們當(dāng)時考慮，是否可以對已有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出高效分離的技術(shù)呢?”朱兆武說。

基于團(tuán)隊(duì)多年的溶劑萃取研究基礎(chǔ)，朱兆武和齊濤等在深入解析傳統(tǒng)萃取體系機(jī)理的基礎(chǔ)上，開發(fā)了多組分協(xié)同溶劑萃取—水反萃清潔提鋰新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋰收率大于95%。“與以往用鹽酸反萃不同，我們采用水反萃，能夠有效避免設(shè)備腐蝕、有機(jī)相降解等問題。萃取有機(jī)相可以直接循環(huán)利用，大幅減少淡水消耗和排放費(fèi)用。”他說。

2021年4月，團(tuán)隊(duì)與青海柴達(dá)木興華鋰鹽有限公司、上海意定新材料科技有限公司合作，在青海柴達(dá)木盆地大柴旦鹽湖礦區(qū)先后利用新型萃取體系，在年產(chǎn)50噸中試線及年產(chǎn)8000噸碳酸鋰工業(yè)生產(chǎn)線上成功運(yùn)行。截至目前，已生產(chǎn)1400余噸氯化鋰產(chǎn)品，體系運(yùn)行平穩(wěn)。

與傳統(tǒng)工藝(高酸反萃)相比，新技術(shù)的單條生產(chǎn)線碳酸鋰實(shí)際產(chǎn)量提高一倍以上，每噸碳酸鋰的直接生產(chǎn)成本降低萬余元。按照目前碳酸鋰價格計(jì)算，預(yù)計(jì)8000噸/年生產(chǎn)線年凈利潤達(dá)10億元以上。

鹵水直接制備電池級碳酸鋰

與青海相比，西藏的工業(yè)基礎(chǔ)更為薄弱，不能大規(guī)模使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿等危險性較大的化工原料，且電力和淡水資源缺乏，諸多因素疊加導(dǎo)致其提鋰技術(shù)發(fā)展極為緩慢。

但西藏有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，鹽湖含鎂量低，多為碳酸型鹽湖，鋰資源平均品位較高。其中儲量最大的結(jié)則茶卡鹽湖和扎布耶鹽湖占藏區(qū)鹽湖總儲量的30%左右，分別有200萬噸和180萬噸(碳酸鋰當(dāng)量)。

“這里的條件非常適合一次提鋰，也就是說，只要能打通生產(chǎn)線，進(jìn)來鹽湖鹵水，出來就是碳酸鋰原料，可以直接用于制備電池、陶瓷、藥物等產(chǎn)品。”朱兆武介紹。

經(jīng)過多年試驗(yàn)研究，齊濤、朱兆武團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出碳酸鹽型鹽湖多官能團(tuán)螯合萃取—三相反應(yīng)提鋰技術(shù)，通過“預(yù)處理—萃取—反萃—熱解”等工藝流程，首次在西藏地區(qū)實(shí)現(xiàn)了鹵水直接制備電池級碳酸鋰。工藝流程中構(gòu)建鈣循環(huán)、碳循環(huán)、水循環(huán)和萃取體系循環(huán)四類循環(huán)體系，與其他技術(shù)相比，能耗、物耗、水耗均處于較低水平，清潔度高。

2021年8月，團(tuán)隊(duì)與西藏國能礦業(yè)發(fā)展有限公司、上海意定新材料科技有限公司合作，在西藏結(jié)則茶卡鹽湖礦區(qū)建成了全球最高海拔(4600米)的電池級碳酸鋰中試生產(chǎn)線，于10月底完成全部試驗(yàn)。產(chǎn)品綜合收率90%以上，碳酸鋰產(chǎn)品純度99.5%以上，生產(chǎn)了數(shù)噸準(zhǔn)電池級碳酸鋰產(chǎn)品，并打通了全部工藝流程。

西藏國能礦業(yè)發(fā)展有限公司總經(jīng)理曾云表示，“未來我們將在中試生產(chǎn)基礎(chǔ)上，啟動結(jié)則茶卡1萬噸/年碳酸鋰生產(chǎn)線建設(shè)，逐步構(gòu)建西藏地區(qū)鹽湖鋰資源高效、清潔、規(guī)模化利用產(chǎn)業(yè)體系，支撐我國新能源戰(zhàn)略可持續(xù)發(fā)展，有效緩解鋰資源進(jìn)口依賴，保障國家鋰資源安全。”