關注 | 中國玉溪黏土鋰礦加速，特斯拉也在...

關注 | 中國玉溪黏土鋰礦加速，特斯拉也在幹這事！

1年前

關注 | 中國玉溪黏土鋰礦加速，特斯拉也在幹這事！

打碎礦石得到鋰！特斯拉掀鋰生意牌桌，背後技術解密
“你不能錯過這個機會，這就像是一張印鈔許可證。”
這是馬斯克在2023年特斯拉財報會上呼籲全球更多企業進入鋰精煉行業所言，而在日前的股東大會上，特斯拉也是又一次提到了鋰精煉的重要性。
現在，鋰是決定動力電池成本的核心原料，也是決定電動汽車成本的原材料之一，而這兩年電池級碳酸鋰/氫氧化鋰的價格也是居高不下，就在前兩天，電池級碳酸鋰的價格又衝上了32萬元/噸，可見要想更好地控制電動汽車的成本，上遊的鋰產業也不可忽視。
不過，馬斯克也不止一次地說過，鋰礦原材料並不是多么稀缺，缺的是更多企業來參與鋰精煉，用更先進的技術來提高鋰精煉的效率，降低成本。
呼籲了半天，馬斯克也起袖子自己开鋰精煉廠了，前不久，馬斯克就爲得州的鋰精煉廠舉行了破土動工儀式。而且在儀式上，馬斯克不止一次地強調了自家使用的鋰精煉技術是一種不同於傳統鋰精煉的技術路徑，既環保又高效成本還低，甚至直言“你可以住在這個廠裏，也不會受到任何影響”。
馬斯克在鋰精煉廠破土動工儀式上（圖源特斯拉中國）
馬斯克所提到的跟現在的主流做法有很大不同，而對於自家的鋰精煉技術，特斯拉電池原材料和回收負責人特納在奠基儀式上做了簡要的講述，特斯拉的鋰精煉技術將使能源消耗減少20%，消耗的化學藥劑成本會低60%，所以總成本也會低30%，同時精煉過程所產生的副產品也是無害的。
按照特斯拉的說法，這么好的技術是如何實現的呢？爲何之前沒有其他公司採用？又怎么保證副產品無害？最後又如何實現特納所說的低成本？
對於此項技術，特斯拉也只是在不斷強調不會使用強酸，產生的副產品無害，整個工藝過程也會更加精簡，但基於底層邏輯，還是得通過化學反應將鋰置換出來。
雖然特斯拉沒有透露更多的細節，我們還是通過特斯拉2021年的一項專利找到了蛛絲馬跡，發現特斯拉確實沒有按常理出牌。
一、特斯拉擺脫強酸提鋰的祕密
雖然特斯拉鋰精煉廠破土動工儀式是近期才开始的，但是特斯拉在鋰精煉的相關布局或許可以追溯到2018年。
在2020年12月29日，特斯拉提交了名爲“從粘土礦物中選擇性提取鋰”的專利申請，並且，該專利已於2021年7月8日公布。
特斯拉“從粘土礦物中選擇性提取鋰”專利部分截圖
而在這份專利中，發明人Turner Caldwell於2018年加入特斯拉，是這個專利發明團隊中最早加入特斯拉的，所以或許從2018年开始，特斯拉就在組建鋰精煉技術研究團隊。
同時，在2020年特斯拉電池日上，馬斯克就表示特斯拉將收購美國內華達州一座佔地約40萬平方公裏的鋰礦。今年2月，特斯拉又表示考慮收購加拿大的上市鋰礦企業西格瑪鋰業公司，以爲其在得州的鋰精煉廠供應關鍵原料。
也就是說，特斯拉現在有了技術、原材料，工廠也正在修建中，按照特斯拉的預想，用自己的技術低成本高質量精煉出鋰來指日可待。
那么，在鋰精煉上布局了這么久的特斯拉，鋰精煉技術到底如何呢？我們或許可以從這份“從粘土礦物中選擇性提取鋰”的專利中得到答案。
首先，特斯拉的專利技術是從粘土礦中來精煉鋰，幾種常見的粘土礦包括高嶺石、蒙脫石、伊利石等。
而根據特斯拉在2020年電池日收購內華達州的鋰礦來看，特斯拉主要會以蒙脫石爲原料來提取鋰，因爲內華達州的蒙脫石鋰礦相對比較豐富，同時，蒙脫石开採便利、剝採比低（剝離的巖石量與所採礦石之比）低且無需爆破，因此在前端採礦環節相比鋰輝石具備成本優勢。
蒙脫石的原子結構是由框架層和中間層組成的，框架層包含鋰、鉀、鋁、鈣等，中間層包含鋰、鈉、鉀和鎂等，可以看出，在其框架層和中間層中都含有鋰。
蒙脫石的原子結構
如果從框架層中提取鋰，耗能比較高，因爲框架層的鋰是用化學鍵鍵合的；而如果從中間層中提取，耗能則比較低，因爲中間層的鋰是靠分子間作用力固定的，引力較弱。
傳統鋰精煉企業給出了利用酸浸從框架層中釋放鋰的方法。
但此方法一是成本高，因爲需要將粘土分解成溶液中的離子，所需酸的量很大；二是副產品多，酸浸會釋放晶體結構中大多數類型的離子，如前面提到的鈉、鎂等；三是監管難度大，硫酸和粘土湯釋放到大自然前必須先中和，會增加建設礦山的環境監管難題。
而特斯拉則選擇從中間層提取鋰，利用陽離子交換將鋰從中間層中分離出來，這在特斯拉的專利中也有所體現。
陽離子交換過程
至於用什么來提取鋰，從專利上來看，特斯拉以鈉離子/鎂離子爲陽離子源，這裏以氯化鈉爲例，將氯化鈉與水和粘土混合，中間層中的鋰比氯化鈉中的鈉對水的吸引力更強，這意味着在適當的條件下，氯化鈉中的一些鈉可能會與鋰交換位置，從而將鋰釋放到溶液中去，這就是專利所說的“選擇性”。
同時，由於只“選擇”了鋰，不會破壞限制雜質的粘土礦晶體結構，從而降低生產成本。此外如果使用水和鹽代替酸，粘土則更容易回歸自然環境。
不過，從中間層提取得話要面臨兩個問題：一是前文所提及中間層的鋰含量較少的問題；二是陽離子交換過程會比較慢，需要催化劑，比如酸。
對於第二個問題，特斯拉在專利中給出了答案——球磨機。
球磨機（圖源網絡）
特斯拉使用的高能研磨機被廣泛稱爲球磨機，特斯拉在專利中提到了行星式球磨機、Spex磨機、磨礦機和振動磨機等。
利用球磨機來處理粘土礦是一種機械化學法，該方法運用球磨機的高能量機械力作用，將多種超細粉體表面激活，達到改變微粒表面活性、化學吸附、晶體結構、溶解性的目的，使得粉體微粒相互融合、嵌入、吸附而成功復合。
球磨機工作
所以球磨機利用高速和離心力來施加衝擊力、剪切力和摩擦力，這就是特斯拉鋰粘土提取過程中的關鍵之處，高能機械作用減小了粘土顆粒尺寸，使粘土晶體結構變形，並驅動化學變化。
與使用化學能分解粘土晶體結構的硫酸工藝不同，高能研磨機使用機械能使粘土晶體結構相對完整，粘土顆粒變小並變形，但本質上仍然是粘土，高能球磨驅動的結構變化允許鹽水溶液作用於粘土晶體中的鋰，並通過陽離子交換選擇性地提取鋰。
在特斯拉的專利申請中，提出了三種從粘土中提取鋰的方案，主要區別是加入陽離子源（如氯化鈉）的時間是在進行高能碾磨的同時、之前還是之後。
在高能研磨前加入陽離子源
值得注意的是，鹽、水、粘土和高能研磨發生的特定順序對鋰的提取效率影響不會很大，以氯化鈉作爲陽離子源爲例，平均來看，在高能研磨前加入氯化鈉比在高能研磨中加入時要高，約7%。不過，從圖中也可以看出，研磨時間對鋰的提取效率影響很大，當研磨時間達到2-3個小時，鋰提取效率最好。
陽離子源在高能研磨前/後鋰提取效率對比
所以，總的來說，特斯拉利用球磨機可以用物理的方式使得粘土的顆粒變小變形，晶體結構相對完整，所驅動的結構變化允許鹽水溶液作用於粘土晶體中的鋰，並通過陽離子交換選擇性地提取鋰離子。
同時，特斯拉在專利中還表示“所述粘土材料還包含一種或多種另外的礦物，所述另外的礦物選自鋰輝石、鋰雲母、鐵鋰雲母、蒙皁石、鋰蒙脫石、白雲母及其組合”，也就是說，雖然是以粘土礦來研究的，但是這項專利也可以用於含鋰的其他礦物，如鋰輝石等。
二、不同提取方案對比測試
除了給出使用球磨機的技術方案外，特斯拉還在專利中對比了“非選擇性硫酸浸出”、“選擇性提取”、“選擇性浸出”的提取效率。
三種鋰提取效率
在“非選擇性硫酸浸出”方法中，將37 .5g粘土材料與112.5g硫酸（濃硫酸，196g/L）混合以形成150g漿料，該漿料於65℃浸出2小時以通過非選擇性浸出而形成浸出溶液。最後鋰提取效率大約爲85%，但同時析出了大量的鋁、鈣、鎂和鐵等陽離子，這些都需要後續工藝去除。
非選擇性硫酸浸出
同時，粘土礦與硫酸配比爲1：3，又根據最後的鋰提取率爲85%，而粘土礦中鋰含量爲0.13%-0.16%，粗略計算，提取1g鋰大約需要消耗2474g硫酸，可見成本之大。
在“選擇性提取”方法中，將40g粘土材料和4gNaCl添加到PM100行星球磨機中並於500rpm下碾磨2小時以形成選擇性提取產物，此時大約會有百分之五十的鋰被釋放出來，但雜質已經大量減少了。
選擇性提取
在“選擇性浸出”方法中，將33g來自“選擇性提取”方法的碾磨混合物（即30g粘土材料和3g NaCl）添加到117g水中以形成漿料，並在65℃下浸出2小時以通過選擇性浸出過程而形成浸出溶液，此時鋰提取效率大約爲70%，且雜質會變得更少。
選擇性浸出
可以看出，“選擇性浸出”比“選擇性提取”多了“水浸”這一步，或許當“水浸”的溫度達到某個數值能夠增加提取效率。
不過，該專利僅涵蓋生產電池級氫氧化鋰或碳酸鋰的前幾個步驟，隨着浸出液的純化，鋰從浸出液中分離出來，再轉化爲氫氧化鋰或碳酸鋰，最後的鋰提取效率將會低於70%。
三、爲什么鋰對特斯拉這么重要？
特斯拉在鋰精煉廠破土動工的當天表示其鋰精煉廠預計在2025年可以全面投入使用，到時候布局了這么久的結果如何就能見分曉了。那爲什么特斯拉要這么費力地自己入局鋰精煉呢？畢竟現在鋰精煉也算是相當成熟了，特斯拉的手甚至也伸向了更加上遊的鋰礦开採，比如收購加拿大的上市鋰礦企業西格瑪鋰業公司。
直接原因無非就是現在電池級碳酸鋰和氫氧化鋰的價格波動很大，從2022年年初开始，電池級碳酸鋰價格約爲28萬元/噸，3月份又上升至50萬元/噸，在11月一度突破60萬元/噸，之後又從2022年年底55萬元/噸一路降至今年4月份的18萬元/噸，可見電池級碳酸鋰的價格波動之大。
2022-2023.5電池級碳酸鋰走勢（數據來源：SMM）
而透過表面的碳酸鋰價格波動，特斯拉入局鋰精煉產業的深層邏輯有三點。
一是特斯拉想盡可能地保證電池的質量和安全性，馬斯克對自家的技術還是比較自信。
二是節省成本，提高利潤。馬斯克一直在說特斯拉要實現年銷2000萬輛的目標，相應的電池需求量將會巨大的，所以，對於特斯拉來說，自建鋰精煉廠更加劃算。
三是保障可用的鋰供應，讓特斯拉對供應鏈有更多的控制權，可以靈活地接受原料，包括工業廢棄物和電池等，形成良性循環。這將增加特斯拉的垂直整合能力，減少外部依賴，將生產鏈和成本都牢牢地把握在自己的手裏。
除此之外，拜登政府在2022年8月出台的《通脹削減法案》也是促使特斯拉選擇自建鋰精煉廠的原因之一。
法案中規定，在美國生產的電動汽車要想拿到所有的稅收減免，其電池生產的核心原材料必須來自美國本土。具體來說，從2023年开始，電池中的核心礦物至少有40%來自美國；2026年以後，佔比至少要達到80%。所以，特斯拉作爲美國最大的電動汽車企業，自然要在上遊產業上提前布局。
四、國內鋰礦雙雄佔據全球半數產能
在鋰礦精煉這個行業內，特斯拉只能算是後入局者。
而我國的鋰礦精煉技術已經比較成熟，在直供電池用的鋰礦精加工領域佔據了全球近一半的產能。其中天齊鋰業和贛鋒鋰業更是全球範圍內鋰精煉的龍頭廠商，同時，兩家企業主要採用硫酸鋰苛化法來用鋰輝石生產氫氧化鋰。
除此之外，天齊鋰業也在致力於進一步處理好鋰精煉中產生的副產品。從申請的專利來看，“硫酸法鋰鹽生產的尾氣綜合處理工藝方法”、“鋰輝石制備氫氧化鋰的方法及去除鈉鉀的方法”等爲在傳統硫酸法上對所產生副產品的處理進行了改進。
同時。天齊鋰業也在對鋰提取過程中的裝置進行改進，如專利“從鹽湖滷水中提取氫氧化鋰和氫氧化鈉的方法及裝置”，這就是一種雙極膜電滲析系統，可以在電滲析的同時，將鋰鈉初步分離，減少氫氧化鋰的重結晶次數，縮短工藝流程。
同樣作爲國內鋰礦“雙雄”之一的贛鋒鋰業，其產品也包括電池級碳酸鋰、電池級氫氧化鋰，贛鋒鋰業也主要從鋰礦石和滷水中精煉鋰，不過，贛鋒鋰業回收提鋰技術也比較成熟。
贛鋒鋰業廢舊鋰材料循環回收利用技術
而從贛鋒鋰業的專利來看，如“一種從鋰輝石浸出液除雜渣中回收鎂和錳的方法”、“一種氫氧化鋰生產母液除鉀的方法”來看，其仍然是對副產品的回收處理。
值得注意的是，贛鋒鋰業在今年4月11日公布了一份“一種電池級氧化鋰高效自動球磨生產裝備”的專利，雖然是用來制造電池級氧化鋰，不過或許贛鋒也會將球磨機用在生產電池級碳酸鋰和電池級氫氧化鋰上。
一種電池級氧化鋰高效自動球磨生產裝備
結語：特斯拉或重塑電池材料產業格局
隨着電動車的快速普及，鋰電池就被視爲“新時代的石油”，而鋰則變成爲了這場能源革命中的關鍵材料。
目前，鋰礦精煉技術雖然已經比較成熟，但是在環保和效率方面還有很大的提升空間，從特斯拉公布的專利來看，特斯拉通過機械化學技術路徑來取代傳統的強酸提取，可以更高效低成本地提取鋰，就像特斯拉採用一體壓鑄來改進整車的制造效率一樣，由於巨大的產能需求，特斯拉還需要定制一個不同於傳統工業上所用的球磨機。
特斯拉的鋰精煉技術路线如果能夠跑通，將會帶來更高效更低成本的電池級氫氧化鋰或碳酸鋰，這樣勢必會重塑鋰精煉上遊產業格局，其影響到底有多大，等到2025年特斯拉鋰精煉廠建成之後應該會逐漸顯現。