青海柴达木兴华锂盐有限公司盐田。张健供图
近日，中科院过程工程研究所研究员齐涛、朱兆武团队自主研发的西藏、青海盐湖提锂新技术科技成果评价会在北京举行。由中科院院士、清华大学教授费维扬担任组长的评价专家组认为，两项新技术流程短、成本低、环境友好、经济效益显著，为盐湖资源的高效清洁利用提供了新途径，建议进一步加强工业示范，积极推广应用。
这意味着我国锂盐生产过程高度依赖进口的现状将得到很大改善。“当前锂盐生产对外依存度超过70%，由此带来的高成本直接拉高了新能源车、手机电池等的价格。待新技术实现规模化应用后，其成本会大幅降低。”评价会现场，朱兆武告诉《中国科学报》。
没有“包打天下”的提锂技术
作为关键的能源金属，锂在电子器件、新能源车以及储能领域应用广泛。近年来，我国锂消费增速明显，从10年前的11.3万吨增长至目前的30多万吨，预计2030年将增至100万吨以上。
前景看好下的“隐忧”是高度依赖进口。“我国进口锂矿石的运输成本很高，到货后还需要再次加工提炼，其氧化锂的品位最高在8%左右，这意味着剩下多达90%是杂质，算下来总成本达15万元/吨。到了终端产品的新能源车，价格肯定更贵。此外，加工过程中使用的高浓度盐酸还会带来较重的环境污染问题。”朱兆武说。
其实，我国锂资源并不缺乏，储量约占世界总储量的7%，位居第4。其中，80%以上的可开采锂资源储存于青海和西藏盐湖。遗憾的是，由于青海盐湖镁资源含量高、锂镁分离困难，西藏的地理位置和自然环境等原因，虽然有产业化技术，但成本偏高。“不同盐湖组分不同，如含镁量、浓度、酸碱度、温度等，很难有一种提锂技术可以‘包打天下’，因此需要针对盐湖自身的资源禀赋，开发相应的提锂技术。”朱兆武介绍。
如何针对不同盐湖中的锂资源进行清洁化开发利用，同时保证低成本、高效率，是摆在科学家面前的一道难题。
新技术实现锂收率大于95%
在我国可开采锂资源中，青海柴达木盆地高镁盐湖锂资源占50%以上，但由于锂镁分离困难，目前资源利用率不足20%。
“已有的膜分离技术、吸附耦合膜技术和传统溶剂萃取技术普遍存在投资大、成本高、收率低等缺陷。我们当时考虑，是否可以对已有技术进行改进，开发出高效分离的技术呢?”朱兆武说。
基于团队多年的溶剂萃取研究基础，朱兆武和齐涛等在深入解析传统萃取体系机理的基础上，开发了多组分协同溶剂萃取—水反萃清洁提锂新技术，实现锂收率大于95%。“与以往用盐酸反萃不同，我们采用水反萃，能够有效避免设备腐蚀、有机相降解等问题。萃取有机相可以直接循环利用，大幅减少淡水消耗和排放费用。”他说。
2021年4月，团队与青海柴达木兴华锂盐有限公司、上海意定新材料科技有限公司合作，在青海柴达木盆地大柴旦盐湖矿区先后利用新型萃取体系，在年产50吨中试线及年产8000吨碳酸锂工业生产线上成功运行。截至目前，已生产1400余吨氯化锂产品，体系运行平稳。
与传统工艺(高酸反萃)相比，新技术的单条生产线碳酸锂实际产量提高一倍以上，每吨碳酸锂的直接生产成本降低万余元。按照目前碳酸锂价格计算，预计8000吨/年生产线年净利润达10亿元以上。
卤水直接制备电池级碳酸锂
与青海相比，西藏的工业基础更为薄弱，不能大规模使用强酸强碱等危险性较大的化工原料，且电力和淡水资源缺乏，诸多因素叠加导致其提锂技术发展极为缓慢。
但西藏有得天独厚的优势，盐湖含镁量低，多为碳酸型盐湖，锂资源平均品位较高。其中储量最大的结则茶卡盐湖和扎布耶盐湖占藏区盐湖总储量的30%左右，分别有200万吨和180万吨(碳酸锂当量)。
“这里的条件非常适合一次提锂，也就是说，只要能打通生产线，进来盐湖卤水，出来就是碳酸锂原料，可以直接用于制备电池、陶瓷、药物等产品。”朱兆武介绍。
经过多年试验研究，齐涛、朱兆武团队自主研发出碳酸盐型盐湖多官能团螯合萃取—三相反应提锂技术，通过“预处理—萃取—反萃—热解”等工艺流程，首次在西藏地区实现了卤水直接制备电池级碳酸锂。工艺流程中构建钙循环、碳循环、水循环和萃取体系循环四类循环体系，与其他技术相比，能耗、物耗、水耗均处于较低水平，清洁度高。
2021年8月，团队与西藏国能矿业发展有限公司、上海意定新材料科技有限公司合作，在西藏结则茶卡盐湖矿区建成了全球最高海拔(4600米)的电池级碳酸锂中试生产线，于10月底完成全部试验。产品综合收率90%以上，碳酸锂产品纯度99.5%以上，生产了数吨准电池级碳酸锂产品，并打通了全部工艺流程。
西藏国能矿业发展有限公司总经理曾云表示，“未来我们将在中试生产基础上，启动结则茶卡1万吨/年碳酸锂生产线建设，逐步构建西藏地区盐湖锂资源高效、清洁、规模化利用产业体系，支撑我国新能源战略可持续发展，有效缓解锂资源进口依赖，保障国家锂资源安全。”
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