磷酸铁锂电池正极材料项目可行性研究报告

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2019-10-09
简介
磷酸铁锂电池正极材料项目一期工程拟建成:国内领先水平的锂离子电池材料研发中心;1000吨/年生产规模的磷酸铁锂电池正极材料生产线;配套建筑等。本项目二期工程拟建成:6000吨/年生产规模的磷酸铁锂电池正极材料生产线。本项目一期总投资3000万元,其中四川省有色冶金研究院投资1530万元(占51%),四川蜀祥投资有限公司投资,1470万元(占49%)。在一期工程达产后,共同增加投资或者引入新的投资合作进行二期建设。本项目拟在成都经济开发区征地82亩,一期新建厂房3000㎡,新建研发中心及配套建筑3000㎡,新增设备71台。本项目符合国家发展高新技术产业,提高高新技术产品市场占有率的宏观政策,属国家重点扶持、投入的“绿色”新能源产业;本项目具备了实现产业化所需技术、资金、市场条件、项目按计划实施并完成,具较大的可行性;本项目按计划完成以后,可实现较大的经济效益;本项目以有色冶金研究员院为依托,在省、市国资委机关领导支持下,通过全院职工的努力,在发展“绿色”新能源的大潮中,有很大的发展前景。

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一概述1、项目名称:磷酸铁锂电池正极材料2、项目单位:四川省有色冶金研究院3、合作伙伴:四川蜀祥投资有限公司4、企业基本概况:四川省有色冶金研究院成立于1960年,是我国西部重要的金属新材料和有色冶金科研单位。国家高新技术产业,省属国有独资企业,拥有700多项研究成果。在有色金属材料研发、矿产资源综合开发与利用研究领域具有国内领先水平,已发展成为科、工、贸为一体的科技创新型科研院所,在国内外同行中有较大影响力,尤其是在新能源材料、电子无铅焊接材料、航天军工材料方面形成自己的特色。四川省有有色冶金研究院有在册职工219人,其中科技人员占60%以上,享受国务院特殊津贴人员,国家有色金属工业跨世纪中青年学术带头人,国家级科技成果评审专家等十三人。二、项目背景锂离子电池是近年来发展最快的可充电电池,与其它蓄电池相比(如与镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池等),由于锂离子电池比电容量高、循环性能好、无污染、自放电率低等优点,目前在手机电池、笔记本电脑电池领域以压倒性优势占领了市场份额。由于石油资源日趋枯竭,发展电动汽车产业是适应于低碳经济的一种必要选择,它将成为引领汽车产业发展的一个极有前景的方向,电动汽车的发展将大大减少汽车尾气排放;同时,动力电池将能够对电网谷电、水电、风电、太阳能和原子能发电等不同形式电能进行存储转换,可使电能得到充分利用;因此,锂离子电池在电动汽车、电力储能等所需要的大功率电池领域将会得到更大的发展。对锂离子电池而言,其主要构成材料包括电解液、隔离膜、正负极材料等。一般来说,在锂离子电池产品组成成分中,正极材料占据着最重要的地位,正极材料的好坏,直接决定了最终二次电池产品的性能指标。而正极材料在电池成本中所占比重可高达40%以上。目前应用最广泛的是层状LiCoO2,有近90%的锂电池以钴酸锂作正极材料,其主要应用于移动通信、笔记本电脑等便携电器设备,但难以在大规模储能电池和动力电池中应用。由于连年开采,我国钴储量逐年减少。寻求成本低、储量丰富的原材料替代钴已是刻不容缓。锰酸锂的优点是倍率性能好,制备比较容易,成本较低。但是由于锰的溶解导致锰酸锂结构发生改变,尤其是温度高于55℃时容量衰减特别快,因此锰酸锂的高温性能和循环性能不佳。另外从安全性角度看,大功率锂离子动力电池的正极材料如果还用做小型电池的上述原料,有可能引起燃烧甚至爆炸,已陆续出现过几起手机电池爆炸事故,使人们对其产生了恐惧。要解决安全问题,一定要换成安全性好的材料才不会有安全隐患,特别是动力电池,安全性问题显得更加突出。在动力锂离子电池的安全性问题中,电极材料中的正极材料是关键,也是引发锂离子动力电池安全隐患的主要原因。因此,寻求高能量密度、高安全、环保和成本低廉的电极材料是动力电池发展的关键。1997年,全球首次报道了橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)可用于锂离子电池正极材料。近年来,从安全和电池成本角度考虑,国际上普遍认为LiFePO4是高能动力电池的最佳新型正极材料。磷酸铁锂作为最有希望在大功率动力电池上应用的锂电池正极材料,其优点有:1、超长寿命。长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右,最高也就500次,而磷酸铁锂动力电池,循环寿命达到2000次以上,标准充电(5小时率、0.2C)使用,可达到2000次。同质量的铅酸电池最多也就1—1.5年时间,而磷酸铁锂电池在同样条件下使用,将达到7-8年。2、使用安全。磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题,钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁,而磷酸铁锂已经经过了严格的安全测试,即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。3、可在大电流条件下进行快速充放电。在专用充电器下,1.5C充电40分钟内即可使电池充满,起动电流可达2C,而铅酸电池现在无此性能。4、耐高温。磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃,而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。5、大容量。6、无记忆效应。7、绿色环保。磷酸铁锂动力电池与其他电池相比,还具有不含铅、镉等有毒有害元素的优点,是一种几乎不污染环境的绿色电池。由此可见,磷酸铁锂动力电池完全适合作为电动车、混合动力车的动力能源材料和发电站储能电源材料,应用前景十分广阔。我国政府非常重视电动汽车的发展。2009年2月5日,财政部公布了由该部和科技部出台的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》,北京等13城市已经率先试点推广节能和新能源汽车,在这些城市购买节油率在40%以上的混合动力乘用车,每辆可获得最高5万元的补贴,纯电动汽车每辆补贴6万元。鼓励在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节能与新能源汽车,对推广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助。成都是西部地区科技、文化和经济水平高度发达的中心城市,在发展动力锂离子电池新能源产业,特别是新能源汽车产业有着得天独厚的优势。第一,成都有强大的汽车工业基础,形成了较为完备的汽车产业链;第二,四川省自身有着丰富的锂资源和磷资源,而且还紧邻锂资源丰富的西藏、青海等西部省份和中亚的阿富汗,在地域上更容易获取锂及其相关的锂电池原料的矿产资源;第三,四川在上游锂和磷资源的开发加工上有传统产业优势,在四川集聚了一批生产碳酸锂、氢氧化锂和磷化工的上游产业,这些产业目前不仅为全国各地的下游正极材料产业输送原料,更应该为发展四川本土的正极材料企业发挥更大的作用,通过上、下游产业链的对接,能更好地巩固和壮大地方特色经济,促进西部地区新能源经济的大力发展;第四,成都市在锂离子电池正极材料的研发有较强的实力和产业化基础,具有人才、技术和产业优势;第五,成都作为新能源汽车试点城市,在国家政策和资金上能得到大力支持。根据《成都市电动汽车产业化行动方案(2010-2012年)》的规划,未来3年,成都市将规划建设电动汽车产业基地,除形成电动公交车和专用车各1000辆生产能力外,年产电动轿车将突破2万辆,必将推动成都市电动汽车产业飞速发展。随着电动汽车行业的发展,对锂离子电池正极材料的需求迅速增加,市场容量不断扩张,开展本项目将取得巨大的经济效益。同时,开展本项目将为推动新能源行业的发展作出贡献,充分将本省锂资源优势转化成为推动本省经济发展的动力;可以从技术上支持国家的节能减排政策;可以替代铅酸电池减少环境污染的威胁,社会效益非常显著。三、项目的可行性常规的锂离子电池,由于其电容量高、循环性好、无污染、自放电率低等优点广泛用于手机、笔记本电脑、照相机、摄像机、游戏机等领域。但因其在生产成本、安全性等方面存在致命缺陷,而传统的镍氢电池高达30-40%的自放电率及使用温度趋近50℃时存在不安全性等缺点严重限制其应用。本项目生产的三元材料LNCM和磷酸铁锂电池正极材料、因其具有能量密度大无毒、无污染、安全性能好、原料来源广泛、价格便宜、使用寿命长的优点,被国内外公认为未来最理想的动力电池电力储能电池正极材料。除传统应用领域外,将被广泛用于电动汽车,电动工具,电力储备等,被称为“绿色、环保”新能源。因此,本项目具有极大的社会效益和发展前景。省委常委、省国资委党委书记王少雄同志等领导在对我院进行调研时指示,加快推进“1+3”发展战略实施,要尽快推出产品进入市场;省委、省国资委和四川发展将提供条件全力支持四川省有色冶金研究院将磷酸铁锂项目做大做强。省经信委党组成员、副主任金鑫带队莅临我院调研时指出,要加快产业化进程,抢占市场先机,与产业链上的其它企业共同培育好磷酸铁锂电池正极材料市场。并表示,省经信委将密切关注和跟踪磷酸铁锂项目建设,及时给予项目支持。本项目已经被列入《四川省新能源汽车产业2010年度重点项目》和《四川省汽车产业十二五规划重点项目》。因此,本项目拥有政府政策和相关项目的支持。四川省有色冶金研究院利用科研人才和设备等优势资源成立了国内唯一的、水平一流的、专注进行锂电池材料研究的锂材料研究所;拥有一支创新能力强,学历、职称、专业搭配科学合理的锂电池材料研究团队。四川省有色冶金研究院在开发高性能锂离子电池正极材料研究方面有多年的研发经验,并与在锂离子电池正极材料领域进入产业化的江西理工大学多年来一直保持良好的战略合作关系,在动力锂离子电池正极材料产业化方面奠定了良好的基础。拥有相关的实验设备,包括真空手套箱、电池性能测试仪、冲片机、冲膜机、全自动电池封口机、电化学工作站、喷雾焙烧系统等国内领先实验和检测设备的230余台/套。参与了包括溶胶-自蔓延燃烧法制备大功率锂离子电池正极材料LiFePO4技术研究、喷雾焙烧法制备动力大功率锂电池正极材料LiFePO4研究、低品位锂铍边界“废石”综合回收利用研究、Sn/C和SnO2/C锂离子电池负极材料研究、锂离子电池富锂锰基正极材料研究等相关的项目的研究工作,《锂电池正极材料LiFePO4研制》获得了中国有色金属工业协会科学技术三等奖。按照本项目工艺技术获得小试产品,经多家电池厂商试用,受到用户的高度评价。因此,本项目具有技术支撑和强力的后续研发能力。在四川发展(控股)有限责任公司的大力支持下,四川省有色冶金研究院拟与四川蜀祥投资有限公司共同投资3000万人民币建设本项目。因此,具有可靠的资金支持。根据成都市确定的“一区一主业”的全市工业空间布局规划,龙泉驿区(成都经济技术开发区)重点发展汽车和工程机械制造业及相关的配套生产性服务业,其中,包括电动汽车产业基地。本项目拟选址成都经济技术开发区,征地82亩。因此,本项目的发展具有地域优势。四、市场状况及预测我国小功率锂离子电池早已产业化,形成上下游结合相对完整产业链,正极材料应用于小型电池的产品产能渐渐趋于饱和,电池产品超过世界市场的1/3,中日韩三国已成三足鼎立之势。主要用于做手机、笔记本电脑、MP3、摄象机、照相机等小型电器上使用的小功率锂离子电池;小型锂离子电池正极材料以钴酸锂LiCoO2为主,占正极材料生产总量的80%左右;还有少量尖晶石锰酸锂LiMn2O4,三元材料Li(Ni、Co、Mn)O2和磷酸铁锂LiFePO4刚刚进入市场。我国正极材料产品质量已达到国际水平,产品除满足国内需要外,还出口到韩国、日本、美国等国。国内的产能约3万吨。我国正极材料主要生产企业及其产品和产量见表1所示。表1国内锂离子电池正极材料主要生产企业及其产品产量表序号企业名称产量(吨/年)产品1北京当升科技4000LiCoO22湖南杉杉新材料4000LiCoO23湖南瑞翔新材料2000LiCoO21000LiFePO44中信国安盟固利1800LiCoO2500LiMn2O4100LiNiO25深圳比亚迪2000LiCoO2LiFePO46北大先行1500LiCoO2200Li(Ni,Co,Mn)O2500LiFePO4100LiMn2O47宁波金和(余姚金和)1600LiCoO28常州博杰新能源1400LiCoO29天津斯特兰1000LiFePO410广州鸿森1200LiCoO2Li(Ni,Co,Mn)O2LiMn2O411西安荣华1000LiCoO212深圳天骄500Li(Ni,Co,Mn)O213石家庄百斯特600LiMn2O414云南汇龙500LiMn2O415天津巴莫500LiCoO216苏州恒正500LiFePO417深圳贝特勒300LiFePO418中国宝安1500LiFePO419河南新乡200LiFePO420其它1500合计30000但在动力电池领域才刚刚兴起。世界各国在不同程度上将动力锂离子电池作为战略举措和发展方向。全球汽车锂离子电池的生产企业主要有20多家。日本走在世界前列,包括东芝、日立制作所等十几家相关企业;美国有A123、江森自控(JohnsonControls);韩国有LG化学。总的来说,虽然世界各国在不同程度上发展动力锂离子电池,但目前还没有形成一股强劲的主流,因此抓住这一契机,大力提升产业水平和产业规模,正是我们抢占锂电产业商机的有力时机。我国动力锂离子电池目前正处于发展期。目前各汽车行业,对于锂电及其它新能源的研发都给予了高度重视,据统计,国内至少有30家客车企业已涉足新能源车研发;轿车方面,六大汽车集团(上汽、一汽、东风、长安、广汽、北汽)以及万向、奇瑞、吉利、比亚迪、众泰等都争相研发新能源车,企业数量总计超过40家;但中国新能源汽车目前产量尚小,处于研发和试运行阶段。在大功率锂电产业方面,目前动力锂离子电池主要生产企业主要有:深圳比亚迪、深圳比克、天津力神、万向电动汽车、苏州星恒、北京神州巨电、深圳雷天、北京盟固利、辽源锂源新能源、咸阳威力克、东莞新能源(ATL)等。在汽车领域的应用,仅根据《四川省发展新能源汽车产业规划》,到2012年四川省将形成年产电动汽车整车2万辆、动力电池3亿Ah,到2017年形成年产电动汽车整车100万辆的规模。到2017年,省内至少需要锂离子电池正极材料6万吨/年。到2017年,整个国内汽车市场对电池正极材料的需求量远远超过20万吨/年。在电力储能领域的应用,以建设20万千瓦磷酸铁锂电池小型储能电站为例,在1C倍率下放电,维持1小时供电,需要磷酸铁锂正极材料至少500吨,如果24小时持续供电,需要磷酸铁锂正极材料至少1.2万吨;来自工信部的数据显示,2009年全国发电装机容量达到87407万千瓦,如果按20%配置储能装置,其市场容量惊人。在IT领域的应用,国内数码产品每年所需电池容量为5亿Ah,需要磷酸铁锂正极材料3.5万吨。在电动工具和电动玩具领域的应用,国内电动工具和电动玩具每年所需电池容量为3亿Ah,需要磷酸铁锂正极材料2万吨。据估计,2015年后电动汽车将会得到加速发展,对正极材料的需求将会迅猛增加。初步估算,在2015年,国内正极材料的需求量每年达15万吨以上,按目前普通质量的磷酸铁锂的市场售价18万元/吨计算,市场规模达到270亿元。与目前3万吨左右的正极材料产能相比,动力锂离子电池用正极材料将有一个很大的市场需求空间和产业发展空间。如果目前开始投入动力锂离子电池正极材料生产,经过3-5年左右的市场培育和发展,将可产生良好的经济效益。五、本项目生产工艺及优势1、本项目生产工艺(本项目生产工艺流程图如下)2、本项目主要设备类型序号名称规格材质数量单位备注1水处理系统5吨/小时组合1套外加工、非标2溶液配置槽5m3搪瓷8个外购、标准3喷雾焙烧塔300kg/小时不锈钢2个外加工、非标4隧道窑300kg/小时2个外加工、非标磷酸铁锂产品添加剂原料水溶液喷雾干燥煅烧转型球磨筛分5喷淋塔300kg/小时组合1套标准6气流粉粹机组合1套标准7电池封装系统组合3套标准8电池性能测试仪组合4套标准9X衍射仪组合1套标准3、项目的优势本项目采用的液相喷雾新工艺保证了反应各组分材料达到分子、离子级别的混合,在较低的合成温度和较短的反应时间合成材料,具有能耗低、晶粒尺寸,球形度以及分散性可控的优点;本项目拓展了磷酸铁锂正极材料合成的原料选择性,固相烧结法多使用磷酸二氢锂作为生产原料,而本项目使用化工锂盐作原料,降低了原料成本;同时,采用有机碳包覆和复合高价阳离子掺杂改性,提高了材料的电化学性能。项目相关工艺技术达到国内外领先水平,属于国内外首创。根据项目研发成果,我院向国家知识产权局申请了“一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法”国家发明专利。专利申请人为四川省有色冶金研究院,发明人为冯再、张继忠、岳波,申请号201010033878.7,申请日为2010年1月11日。该发明专利申请已于为2010年7月5日获得“发明专利申请初步审查合格通知书”,并于2010年9月1日获得“发明专利申请公布及进入实质审查阶段通知书”。工艺优势类别同类生产企业本项目工艺固体粉末混料高温固相反应喷雾焙烧法和后续热处理优点工艺简单,易于实现大规模生产反应时间短,能耗低,生产成本小,产品性能稳定缺点合成时间长,能耗大,生产成本高,产品性能稳定性差生产工艺流程教复杂产品指标和性能优势类别同类生产企业本项目比容量(mAh/g)≈130≥140振实密度(g/cm3)≈1.0-1.2≥0.9中位径D50(um)≈3-5≤2放电倍率C≥5≥5循环寿命(1000次)不低于初始放电容量的70%不低于初始放电容量的80%成本优势类别同类生产企业本项目原料(万元/吨)73能耗(万元/吨)30.5六、项目建设规划1、本项目一期工程拟建成:国内领先水平的锂离子电池材料研发中心;1000吨/年生产规模的磷酸铁锂电池正极材料生产线;配套建筑等。本项目二期工程拟建成:6000吨/年生产规模的磷酸铁锂电池正极材料生产线2、项目投资:本项目一期总投资3000万元,其中四川省有色冶金研究院投资1530万元(占51%),四川蜀祥投资有限公司投资,1470万元(占49%)。在一期工程达产后,共同增加投资或者引入新的投资合作进行二期建设。3、产品方案:序号产品类别产品状态产量t/a1LFP120粉,高倍率15002LFP130粉,高倍率15003LFP145粉,高容量15004LFP160粉,高容量1500合计60004、项目建设选址:成都经济技术开发区(国家级)5、基建设计:本项目拟在成都经济开发区征地82亩,一期新建厂房3000㎡,新建研发中心及配套建筑3000㎡,新增设备71台。6、项目投资规划:本项目一期工程总投资3000万元,其中基建投资(土地购置、厂房、研究中心、配套建筑等),2200万元,设备投资800万元。7、建设进度安排:2010年12月底,完成征地相关工作和公司工商注册登记;2011年1月底,完成公司中介机构和招标机构比选;2011年3月底,完成地质勘查,可行性研究,设计、论证审批,外部供电、供水、建设场地清理等工作;2011年4月底,完成施工图设计,开始施工和采购设备;2011年9月底,完成生产、研发中心以及其他配套施工建设,磷酸铁锂电池正极材料生产线的设备安装和调试;2011年12月底,实现产品批量销售;2012年12月底,生产销售力争达到1000吨规模,开始二期工程建设;2015年12月底,力争达到6000吨规模磷酸铁锂正极材料的生产和销售。七、生产原材料、原材料供应、动力消耗及三废治理1、生产过程主要原辅材料:氢氧化锂、氢氧化镍、氢氧化锰、磷酸、碳酸锂、硝酸铁、铁粉、蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇、碳酸锌、碳酸镁、稀土、尿素等。2、原材料供应:本项目生产过程所需原材料均系常用化工原料,在成都市周边工厂即可购得,在生产经营时,按ISO9000要求分类定点采购。3、生产过程主要动力消耗:生产过程动力采用电力。4、三废治理:废渣:本项目无废渣产生。废水:磷酸铁锂生产过程经喷雾干燥处理,无废水产生。废气:本项目所产生的废气主要是N2,CO2和水蒸气,无环境污染气体产出,可直接通过抽风排入大气中。噪声:本项目实施过程中无噪声污染等。八、经济效益和社会效益分析1、经济效益:销售收入:实现年产销6000吨磷酸铁锂正极材料,按20万元/t计,可实现销售收入10.2亿元(不含税收);利润总额:4.5亿元;企业所得利税:6750万元;净利润:3.825亿元;增值税等:5000万元;实现利税:5亿元。2社会效益:推动国内锂离子电池生产企业的发展,特别是汽车动力电池生产企业及电力储能电池生产企业的飞速发展,缓解化石资源紧张的状况,减少大气污染物排放,提高空气质量。同时还将带动国内上游企业的发展--生产铁盐和锂盐的企业都将不同程度的受益。九、结论1、本项目符合国家发展高新技术产业,提高高新技术产品市场占有率的宏观政策,属国家重点扶持、投入的“绿色”新能源产业;2、本项目具备了实现产业化所需技术、资金、市场条件、项目按计划实施并完成,具较大的可行性;3、本项目按计划完成以后,可实现较大的经济效益;4、本项目以有色冶金研究员院为依托,在省、市国资委机关领导支持下,通过全院职工的努力,在发展“绿色”新能源的大潮中,有很大的发展前景。
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