与「锂」同行（3）︱硬核干货火热筹备中，即刻预约优先获取的资格

电动汽车（EV）市场正在经历一场由锂离子电池技术驱动的革命，将彻底改变交通领域。

预计锂离子电池需求量将从2024年的1500千兆瓦时（GWh）增至2030年的4900千兆瓦时¹。为满足这一需求，高纯度氢氧化锂和碳酸锂成为制造电池的核心原材料。

锂的主要来源是盐湖卤水（Salars）或矿床（主要是锂辉石矿）。锂辉石矿石含锂量可达6%（重量百分比），通过传统采矿作业从地下矿脉中提取。开采方式根据矿脉位置分为：地下坑道开采（适用于深层矿体）；露天剥离开采（适用于浅层矿体）。

图1. 锂盐湖卤水（Salar）加工作业

卤水从盐湖（Salars）抽至地表蒸发池进行自然蒸发（图1）。初始卤水中氯化锂（LiCl）浓度为200–1400 ppm。所含杂质包括镁（Mg）、钾（K）、硫酸根（SO₄）、钙（Ca）以及其他物质，可在氯化锂析出之前从溶液中沉淀出来。通过调节pH值及添加化学试剂，分阶段沉淀杂质。

当卤水锂浓度浓缩至6%时，泵入加工厂转化为碳酸锂。整个流程耗时长达18个月，且受天气及降雨影响显著。

目前全球超半数锂资源来自南美“锂三角”（阿根廷、玻利维亚、智利）的盐湖卤水。其他重要卤水锂资源分布于中国及美国西部地区。

由于采矿、矿石粉碎、高温煅烧的高能耗成本以及矿石酸浸工艺需大量硫酸，相较于锂辉石（Spodumene）等矿石提锂，卤水提锂成本更低。然而，卤水提锂也存在局限性：需干旱沙漠气候支持长期自然蒸发，以及从原始卤水到成品需要很长的周期。

除初级盐田蒸发池外，可采用吸附床通过直接锂提取（DLE）技术富集锂。该方法的一个主要缺点是需消耗大量淡水冲洗吸附床以回收富集锂。使用吸附剂床的可行性也可能受到卤水中污染物比例的影响，例如高镁锂比会降低吸附效率，需额外预处理成本；材料对锂的选择性决定杂质分离效果，低选择性将导致锂回收率下降。

图2. 采用蒸发池的碳酸锂工艺

使用蒸发池从卤水中制备碳酸锂的工艺如图2所示。

第一步是从地下盐湖（称为Salars）抽取锂浓度为200–1400 ppm的原始卤水至地表蒸发池系统。通过一系列蒸发池逐级浓缩卤水，利用自然蒸发促使杂质（钙、镁、钾、硫酸盐等）按溶解度差异依次沉淀。氯化锂（LiCl）因溶解度较高，随卤水浓缩保留于液相中。最终，当卤水锂浓度达到6%时，将其泵入加工厂。若卤水含硼（B），需采用液液萃取工艺进行定向脱除。

向浓缩卤水中添加化学试剂，进一步促使残余污染物形成沉淀。通过板框压滤机将沉淀杂质从卤水流中高效分离，确保液相中锂的高纯度。在工位（1）注入沉淀剂前，使用1–5微米级滤芯式过滤器对化学试剂进行预过滤，避免杂质引入系统。为截留压滤机可能夹带的微量固体颗粒，可在下游配置可再生过滤器（2），避免杂质进入后续的离子交换单元与结晶器，保障核心设备运行稳定性。离子交换树脂床专门用于去除液相中残留的二价溶解态污染物（如Ca2+、Mg2+等离子），通过树脂的选择性吸附实现离子级净化。

在工位（3）配置1微米级滤芯，用于截留可能夹带的树脂床碎屑或未溶解盐类，防止其进入结晶器，确保最终产品纯度不受影响。

碳酸钠在工位（4）经过1–5微米级过滤系统提纯后，注入锂卤水体系，通过化学反应生成目标产物碳酸锂。反应生成的碳酸锂溶液在结晶器中析出为固体颗粒。利用离心机对结晶后的固液混合物进行高效分离，最终收集高纯度固态碳酸锂产品。在母液回用前，通过工位（5）的可再生过滤器截留离心机可能夹带的微量固体颗粒，同时拦截水洗过程中产生的悬浮物，保障循环体系洁净度。用于冲洗碳酸锂固体的水先经过工位（6）处10微米过滤器预过滤，再通过反渗透（RO）膜系统脱除溶解性杂质。采用两级结晶工艺精细调控晶体形貌与纯度，使碳酸锂达到电池级质量标准。

最终碳酸锂固体经热风干燥系统去除残留水分后，通过气流粉碎机调整至目标粒径，然后自动称重封装。

所描述的工艺是基于传统加工工厂的模式，而在这一新兴行业中，有许多新的工艺方法正在开发之中。

图3. 采用直接锂提取（DLE）技术的碳酸锂工艺

锂卤水也可通过直接锂提取（DLE）技术转化为碳酸锂，该工艺利用吸附床从卤水中选择性分离出锂离子。碳酸锂的制备示意图见图3。

第一步是从地下盐湖（称为Salars）抽取锂浓度为200–1400 ppm的原始卤水。在工位（1）将原始卤水通过20–40微米滤芯进行过滤，清除淤泥及未溶解盐类颗粒，然后将过滤后卤水进入特种树脂吸附床，树脂专用于吸附锂离子，而钙、镁、钾等杂质离子保留在卤水中，最后将吸附后的低锂卤水回注至地下盐湖（Salar）。

吸附床内锂离子吸附量达到饱和（2,500 ppm Li）时，吸附床停止运行并切换至再生工段，通过去离子水对树脂进行逆流洗脱。在工位（2）配置额定精度为10微米的滤芯，用于拦截洗脱液中的残余颗粒物，避免反渗透膜系统因污堵导致性能衰减。然后添加化学沉淀药剂对吸附床洗脱液进行化学沉淀工艺处理。在工位（3）配置额定精度为1–5微米筒式过滤器，用于拦截原料化学品中的污染物颗粒，防止杂质进入后续工艺系统。

然后通过压滤机从液流中分离沉淀的化学污染物。使用工位（4）的可再生过滤器拦截压滤机下游的任何残留固体。然后经超滤、纳滤、反渗透（RO）和/或结合机械蒸汽再压缩蒸发器（MVR），将最终料液锂浓度提升至6%。完成该步骤后，在工位（5）配置额定精度为1–5微米级滤芯，分离洗脱液中残留的细颗粒污染物，防止离子交换床因污堵导致交换容量下降。

在工位（6）配置额定精度为1微米级滤芯，拦截离子交换树脂床下游可能残留微细颗粒物，避免最终产品因颗粒污染导致纯度不达标。碳酸钠溶液在工位（7）经配置额定精度为1–5微米级滤芯过滤，随后添加至锂卤水中，通过复分解反应将锂卤水转化为目标产物碳酸锂。

碳酸锂在第一阶段结晶器中转化为固体颗粒。通过离心机收集固体碳酸锂。采用再生过滤器（8）捕获离心机运行过程中母液回收阶段和水洗阶段可能夹带的固体颗粒。

随后将碳酸锂重新溶解于水并进行再结晶处理，以提高纯度达到电池级产品标准。第二阶段结晶器生成固体颗粒后，在第二级离心机中完成收集。采用额外再生过滤器（9）捕获离心机运行过程中母液回收阶段和水洗阶段可能夹带的固体颗粒。在工位（10）配置额定精度为10微米的滤芯，用于保护反渗透膜系统，避免其在两阶段碳酸锂水洗过程中因污堵导致性能衰减。

所描述的工艺是基于传统加工工厂的模式，而在这一新兴行业中，有许多新的工艺方法正在开发之中。

锂离子电池对制造材料的纯度有严格的要求。杂质可能导致充电性能下降（包括电动汽车续航里程缩短、充电频率增加、低温环境下电池启动困难），在极端情况下甚至可能引发电池起火。当前锂转化工艺面临的主要挑战在于能否稳定生产出符合高纯度标准的锂产品。表1中列出了针对电池级碳酸锂的纯度要求。对于碳酸锂，其最低纯度需达到99.5%（重量百分比），且对多种杂质的含量设定了明确的限值。

优化过滤分离工艺既可提升高纯度产品生产的工艺稳定性，又能提高产品收率、降低返工率及运行成本。

动力电池（EV）价值链中的各个阶段如图4所示。对于每个环节而言，过滤分离技术对实现工艺收率、产品纯度及生产可靠性目标具有决定性作用。对于基础材料而言，文中所述的镍、钴、铝以及锂等材料都需要进行开采以及特殊加工处理。活性材料涵盖化学品、特种化学品和高分子材料的处理，以制造构成电池的基本组件，包括隔膜、电解液以及正极/负极材料。这些电池电芯还使用化学品和特殊化学品，这些化学品在壳体成型、电解液灌注、浆料制备等工序中必须达到严格的纯度标准。

图4. 电动汽车电池全价值链技术应用

参考文献：

1.  电池产业监测报告2023（Roland Berger&RWTH Aachen university）

    

2. https://livent.com/wp-content/uploads/2022/09/QSPDS-1060-r4-Lithium-Carbonate-Micronized-Battery-GradeProduct-Website.pdf

    

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