盐湖提锂产业深度报告:中国盐湖提锂_走向成熟.docx
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1、盐湖提锂产业深度报告:中国盐湖提锂_走向成熟1 盐湖提锂:动力、储能TWh时代全球锂资源供应之基石我们正处于由化石燃料向清洁能源转型的全球大变革之中,在全球各主导型经济体的气候雄心之下,能源消耗的电气化、电力生产的清洁化成为时代的浪潮。与此同时,锂作为自然界中最轻、标准电极电势最低的金属元素,无疑是天生理想的电池金属,将具备需求刚性,被誉为未来的“白色石油”。鉴于全球动力、储能需求的爆发式增长,我们预计2024年全球锂电市场将迈入TWh时代,锂行业无疑正身处“超级周期”之中,但非线性加速增长的需求以及价格中枢的大幅上行,也为新能源产业中下游带来了显著的“资源焦虑”。 我们认为,鉴于盐湖卤水类型
2、的锂资源在全球探明锂资源构成中的占比高达近六成、其单体项目的储量规模通常可观、现金生产成本低,加上未来技术进步的潜力广阔,盐湖提锂有望成为未来全球锂资源供应体系的基石。高原干旱封闭盆地中的沉睡宝藏盐湖属于全球湖泊的重要类型之一,含盐量高于50g/L,是一种集无机盐、有机质和生物综合性的自然资源,是多层圈(水圈、大气圈、生物圈和岩石圈)的共同沉积产物,只出现在特定的自然和地质环境中。具备开采价值的盐湖通常为“古代盐类矿床”,拥有固液混合、储量大、面积广、品位高的特点,通过长期沉淀而富含钾、镁、锂、硼、溴、碘、铯、铷等盐类矿产,另一类属于“现代(第四纪)盐湖资源”,由于形成时间较短,资源不如前者丰
3、裕。并非全部盐湖都拥有值得经济开采的锂资源,富锂盐湖属于一种特殊类型的盐湖,虽无明确的界定标准,但过去通常指锂离子浓度超过24.5mg/L(氯化锂150mg/L)的盐湖资源,但伴随盐湖提锂的技术进步,该经济性边界未来将持续降低。全球的富锂盐湖大多存在于湖相沉积的封闭盆地中,主要与硼、钾等元素相伴,基本形成条件需要“干旱-半干旱”的气候,适宜的洼地和水盐补给,需要经历蒸发浓缩、水混合和气体溢出、粘土和液体的变质作用等过程,引起盐类矿产沉积后形成卤水。全球地质学界认为,富锂盐湖中的锂物质/流体主要来自岩石重熔后的岩浆岩、深部热液和浅部地热泉及岩石发生的水岩反应、岩石风化、大气、地下水或是岩浆。正因
4、如此,处于碰撞带的山间盆地、俯冲带的弧后盆地或是板块断裂带后的盆地等,容易形成富锂盐湖,但此类成矿条件也为资源开采作业带来了挑战。盐湖类型占全球锂资源构成近六成,整体资源规模及勘查潜力庞大虽然地壳中的锂资源丰度较高,但兼具大规模、较高品位、具备经济开采价值的优质锂矿资源点有限,全球分布不均。据USGS口径,截止2020年全球锂资源的探明矿产储量2106万吨金属量、折合碳酸锂当量1.12亿吨,矿产资源量达到8551万吨金属量,折合碳酸锂当量4.55亿吨。从区域角度看锂资源量分布,南美锂三角区域(玻利维亚、智利、阿根廷)合计占比58%,美国、澳洲分别占比9%和7%,中国锂资源总量全球第六,占比约6
5、%。全球锂资源的存在形式较为多样,其中三种类型占据主导:封闭盆地内的盐湖卤水锂矿、伟晶岩型的硬岩锂矿(包括锂辉石、锂云母等)、沉积岩型的粘土锂矿,分别占全球锂资源总量的58%、26%、7%,其余类型主要包括油井卤水、地热卤水锂等。虽然上述比例数字将伴随全球的资源勘查进程而动态变化,但基本展现了地壳中锂资源的分布特质。目前,实际得到商业开采的主要是盐湖卤水与硬岩锂矿,未来35年,全球部分高品位的粘土锂矿有望加入供给阵营,而针对油井卤水、地热卤水中副产锂资源的综合利用开发也正在进行中试。全球拥有四大盐湖成矿区,资源禀赋各有特点。(1)南美盐湖区:盐湖大多富含锂、钾、碘、硼等元素,玻利维亚、智利、阿
6、根廷拥有禀赋优越的富锂盐湖资源(大规模、卤水充裕、矿层厚、高品位、化学组分理想)。(2)美国西部盐湖区:富含钾、硼、镁、锂,钾资源丰沃,已构建成熟产能,锂浓度偏低,但内华达银峰等盐湖卤水的镁锂比理想;整体而言,尽管美国西部盐湖对于锂资源的综合开发较早,但产能规模并未持续扩大,资源商更青睐于开发南美的富锂盐湖,未来美国若启动构建本土的锂电产业集群,银峰等美国西部的盐湖和粘土可带来充裕的资源保障。(3)西亚死海:为全球最大的盐湖水体,溴素产能全球第一。(4)中国盐湖区:汇聚在青藏高原,青海盐湖具有高镁锂比的特征,已建成大规模的钾肥产能,提锂产能处于成长期,西藏盐湖的锂浓度普遍更高,但由于基础设施薄
7、弱、高海拔艰苦的条件以及严苛的环保要求,尚未全面开发。质变的拐点渐进,技术与资本的积聚将带来全球盐湖提锂加速放量回顾全球盐湖资源的开发历程,最初主要开采石盐用于食用,19世纪末转为以各类无机盐、石盐、碱、硼为主的规模化开发阶段,产能逐渐放大。在锂资源开发方面,美国钾肥公司于1938年在加州的Seales Lake利用70mg/L的低浓度卤水生产出了锂副产品,此后Foote Minerals在1966年启动了对于美国内华达州银峰盐湖的商业化开采,是全球最早将锂作为主产品的盐湖项目。进入20世纪80年代,南美盐湖锂资源的开发开始步入聚光灯之下,并导致多个北美矿石锂项目的关停。但当时锂依然是个小行业
8、,直至20132015年以来新能源汽车的快速导入,才开始作为关键的电池金属成为矿业圈的焦点。整体而言,盐湖类型锂资源虽然具备资源体量以及生产成本优势,但由于受到盐田晒卤周期的制约(智利需要1218个月,青海部分长达24个月以上),难以像矿石提锂一般、高效的响应需求侧的边际变化,因此盐湖提锂更加需要逆周期的产能布局,考验矿商的战略决心及融资能力。此外,一部分的盐湖提锂还受到卤水充裕及品位波动、高原高寒地区薄弱基础设施的掣肘,难以充分发挥名义上的资源优势。2021年,全球锂资源的新增供应主体来自智利SQM、国内蓝科锂业等,至2022年全球的矿石提锂产能将陆续开始响应需求的爆发,我们预计2021-2
9、025年全球锂资源产量将从54万吨增长至117万吨LCE,其中盐湖提锂的供应将从2021年的23万吨LCE、增长至2025年的53万吨LCE,占比从42.8%小幅走高至45%,尽管盐湖提锂供给量的绝对值将大幅增长,但矿石侧的增量弹性同样显著。展望未来,我们认为,盐湖提锂的技术进步(量变到质变)、加上持续的大规模资本投入,带来盐湖提锂在全球锂资源供应占比的上行拐点只是时间问题,其核心在于高效盐湖提锂技术的产业化。与此同时,对于全球次优品位盐湖资源的开发,也正在倒逼加快创新提锂技术的商业化导入。若未来该技术拐点出现,将堪比红土镍矿生产镍生铁(NPI)技术突破对于全球镍行业格局的逆转。2 盐湖提锂的
10、技术进步将带来更多可能性,建议因地制宜、渐进采用我们认为,近年来全球盐湖提锂技术的快速发展和更加广泛的中试案例,将为全球盐湖锂资源的加速开发带来更多的可能性、可行性。整体而言:(1)盐湖提锂的技术路线通常需要因湖而异、因地制宜,最契合其卤水组分和基建条件的技术才是最理想的技术,但若着眼于对二线次优盐湖资源的开发,我们认为未来吸附提锂+膜分离浓缩的耦合具备广阔的发展前景,同时未来更加高效、更耐用的新型吸附剂还可降低对膜的使用。(2)通常,全新技术的成熟商业化均需必要的时间周期,尤其少不了在连续工业化生产中的磨合周期,因此在当前强劲的需求背景下,我们建议资源商采用渐进的方式,果断加大对于成熟路线的
11、产能投入,同时保持开放的思路,将新技术纳入二期产能的选项(届时基建更完备,更易于上线新技术)。盐湖提锂的技术多样,化繁为简,可分为提锂环节(富集、分离、浓缩)和沉锂环节,其中技术的核心主要在于提锂,最后的沉锂较为成熟和同质化。相应的,还可分为前端和后端,前端主要指提锂技术,后端则包括利用电解/双极膜一步生产氢氧化锂等。盐湖提锂的经典流程是“老卤提锂”,在抽取原卤、先后经过钠、钾盐池后,再从层层富集的老卤溶液中进行提锂,其优势在于低成本(从低品位至高品位的富集过程充分利用了矿区的高蒸发率),但弊端在于锂的一次收率低、晒卤周期漫长(1224个月)、需要构建大规模的盐田系统、提锂产能往往受到钾肥生产
12、规模的制约(尤其低锂含量的原卤)。在新一代盐湖提锂技术中,“原卤提锂”开始获得重视,先提锂、再进入盐田提钾。其核心优势在于锂的一次收率高(着重精细利用卤水中的锂资源,同样的资源可支撑更大规模的产能)、提锂周期显著缩短至以天来计算(原卤仅需预处理)、对于盐田面积的需求大幅降低。但需重视,实现原卤提锂首先需要大吸附容量、低溶损的高性能吸附剂,不同于老卤提锂,吸附的主要难点将从镁锂分离、转为钠锂分离,且针对不同类型和不同浓度的原卤,也需开发不同的吸附剂;其次,原卤吸附的本质是将提锂流程从“自然摊晒”转向“连续工业化生产”,因此要求更加完备的电力、淡水等基础条件保障。盐湖提锂始于美国、兴于南美,但目前
13、中国青海已拥有全球领先的技术水平。美国钾肥公司早在1938年便在加州的Seales Lake利用70mg/L的低浓度卤水生产出锂副产品,此后Foote Minerals在1966年启动了对于美国内华达州银峰盐湖的商业化开采,是全球最早将锂作为主产品的盐湖项目。进入20世纪80年代,Foote、SQM、FMC等锂资源商开始聚焦开发南美的富锂盐湖,随后Foote与FMC均将各自位于美国北卡的硬岩锂矿关停。着眼中国本土的盐湖提锂,青海盐湖均属于高镁锂比、低锂含量卤水,因此难以复制智利的沉淀法工艺,但恰因不具备理想的化学组分、反而倒逼了新兴提锂技术的工业化应用。通过长期的技术迭代、工艺磨合、持续投入,
14、当前青海的盐湖提锂产能已走向成熟,技术水平全球领先,同时新一代技术和长期积累的工艺know how开始形成外溢,正在加速中国西藏盐湖以及海外次优卤水资源的开发。走向未来:由粗放到精细,由漫长的自然摊晒到高效的连续工业化生产我们认为,盐湖提锂的技术和工艺设计方向正在发生如下的变化:(1)从粗放式到精细化:主要体现在从盐田至车间整体一次收率的提升,对于产线沉锂母液的充分利用(例如新增磷酸锂产线),通过高效吸附等技术实现过去不具备经济性的低浓度盐湖卤水的开发利用,以及对于产品品质的持续优化。(2)提锂周期更短、生产更加高效:充分利用矿区的高蒸发率(充裕的太阳能和风能)在盐田系统中进行逐级摊晒,实现锂
15、的富集和部分除杂,是盐湖提锂低成本的本质原因,但也带来了扩能晒卤周期漫长、采卤区和盐田中的锂浓度容易受到季节性降雨及山洪的影响等弊端。未来的提锂技术将在富集、分离和浓缩环节新增装置,利用连续工业化生产来提高效率。(3)从副产品到主产品:过去的盐湖提锂更多是作为提完钾之后的副产品,但在当前的南美盐湖以及未来中国青海和西藏盐湖的设计上,锂作为主产品将更加普遍。(4)从单一产品到多元化和更高附加值:过去的思路更多是追求低成本生产工业级碳酸锂,未来的设计思路将转向直接一步生产电池级碳酸锂,突破一步生产电池级的氢氧化锂,或者生产电池级氯化锂、并在后端配套打造电池级的金属锂生产线。(5)追求更低的环境足迹
16、:盐湖提锂的工艺需要因湖而异、因地制宜,但无论具体采用何种工艺,努力减少环境足迹、降低碳排放及能耗水平、降低淡水消耗量以及卤水抽取量,未来将成为关键的考量因素。盐田沉淀法:成熟的传统工艺,适用于理想气候环境下的优质富锂盐湖沉淀法是研究最早、最为成熟、在“实战中”广泛采用的盐湖提锂工艺。本质上,沉淀法充分利用了盐湖矿区天然的丰富太阳能、风能(高蒸发率)进行锂的逐级富集和部分除杂,装置相对简单,因而可以实现低廉的碳酸锂生产成本,此外沉淀法在卤水之外所需要消耗的淡水量较少,且碳排放较低。但沉淀法要求原卤品质优良(锂含量高、镁锂比低),矿区气候极度干燥为佳、罕有降雨降雪,同时要求建造大规模的盐田,否则
17、难以蒸发浓缩得到理想浓度的老卤,若老卤品质不稳定则将影响后端的碳酸锂生产效率、产品品质以及成本。正因如此,采用沉淀法的成功案例主要是南美锂三角的一线优质盐湖,其生产也不免受到气候、山洪等不可抗力因素的影响,同时扩产周期较长(智利需要晒卤1218个月)。虽然原理清晰,但不宜低估沉淀法背后实践know how,盐田工艺无疑是核心,后端的精细化生产也同样重要。根据加入的试剂不同,沉淀法分为碳酸盐沉淀法、铝酸盐沉淀法、硼镁与硼锂共沉淀法等,其中成熟商业化的主要是碳酸盐沉淀法,其关键试剂是石灰(氢氧化钙)和纯碱(碳酸钠), 前者能将镁离子分离,而后者能让锂离子以碳酸锂形式沉淀出来。尽管工艺成熟、原理简单
18、、直接生产成本低,但锂整体的一次回收率整体较低。吸附法:尤具发展前景,已有多个成功案例,掣肘在于淡水消耗偏高吸附法是当前盐湖提锂中应用较为广泛且最具有实用前景的工艺之一。吸附法适用于锂浓度较低的盐湖,鉴于全球对于次优品位盐湖资源的开发已被提上日程,吸附法具有较大的发展和推广潜力。但过去的吸附剂也存在循环性差、溶损严重、选择性弱等弊端,如何制备出经济性高、吸附容量大、使用周期长的吸附剂是未来的重点。吸附法主要依靠对锂离子具有特定吸附能力的吸附剂来实现锂离子的分离,之后用洗脱剂将锂离子洗脱而形成锂离子溶液,再加入碳酸钠后沉淀形成碳酸锂,由此可见其核心在于吸附剂的选择。从分类看,存在有机吸附剂(如人
19、工合成树脂)、无机吸附剂两类,但由于实际经济性,无机吸附剂更受关注。无机吸附剂又可进一步分为锑酸盐性吸附剂、层状吸附剂、铝基吸附剂、离子筛吸附剂(钛系、锰系),以及有机+无机的结合材料。铝基吸附剂目前较为成熟,以氢氧化铝基锂吸附剂为主要产业化材料,在嵌入吸附锂后需要通过水洗脱锂。该方法能实现较好的锂选择性、吸附结构稳定制备成本低,但需要消耗大量的淡水。在实际应用中,已在Livent、蓝科锂业进行了产业化。其中FMC Lithium(Livent前身)早在1990年代即在阿根廷Hombre Muerto盐湖开发上采用了选择性净化吸附法(专利工艺),不仅让碳酸锂的生产周期缩短至4-9个月(经典的沉
20、淀法即便在智利,晒卤周期也长达12-18个月),还通过先晒卤、后吸附,大幅缩减了所需要的盐田面积,同时锂的回收率较高(可达80%,传统仅为30-50%)。但由于大量消耗淡水,脱附尾液回注盐湖后存在卤水浓度被短期稀释的困扰。当前,Livent正在持续推进吸附法的技改,将重点降低淡水用量,且未来计划退役大型的预蒸发池,在直接提锂(DLE)的道路上更进一步。离子筛型吸附剂有望得到重点发展,其中钛系和锰系是关注的焦点。离子筛是指将无机化合物和锂离子生成的复合氧化物在不改变晶体结构的情况下,将锂离子抽除,从而得到有规则空隙结构的多孔前驱体。这种针对锂离子的离子筛能在多种离子共存的情况下对锂离子有记忆性,
21、实现选择吸附分离。(1)锰系离子筛得益于锰系氧化物的独特尖晶石结构和三维网络通道能对锂具有良好的选择性和吸附性,且具有化学性质稳定。但锰系离子筛的问题在于使用过程中锰的损失会让结构坍塌(锰溶损)进而导致容量锐减,二是洗脱剂需要采用HCL或者硫酸钠作为洗脱剂,经过循环洗脱,废液存在环保问题,当下尚未出现规模产业化应用。(2)钛系离子筛是为了攻克锰系溶损率高而制备的新型离子筛,钛系离子筛在酸洗脱后溶损率降低,锂洗脱率高、性质稳定、安全绿色且容量大,但这类吸附剂也需要酸洗脱,且多为粉末状,需要攻克渗透率差、吸附周期长,造粒后出现容量减小等挑战,当前已有资源项目尝试小规模生产试验,或是与膜法相结合形成
22、原卤提锂技术。离子筛吸附剂急需被攻克的问题主要集中在溶损和难循环问题上,当前学界主要通过造粒、成膜和掺杂等方式对离子筛改性,但同样存在研究难点,如造粒时的添加剂会导致离子通道堵塞,降低吸附量和吸附速率;成膜则由于出现团聚现象导致成膜不均,且成本高。掺杂是被认为能从根本解决问题的方式之一,如增大锂离子配比或是加入钴、镍、铁、铝等离子来提高锰的平均价态,形成元素协同作用,但仍需进一步研究配比等。膜分离法:高压过滤老卤实现低价锂离子分离膜分离法是当下产业化应用最积极的工艺之一。膜分离法的本质在于通过压力,利用膜的选择性分离功能将料液不同成分进行分离,核心是膜材料选择。通常,膜分离法是一种或多种膜材料
23、进行梯度耦合,以实现提取低价锂离子,分离二价和多价离子(分离镁离子、硫酸根、锂离子等),而且具备环保和资本开支相对较低的优势。过去,膜分离主要应用于工业废水处理、食品等领域,目前盐湖提锂的商业化案例包括恒信融、五矿一里坪盐湖。但电耗较高、膜损耗、膜污染、稳定性、以及高低价离子截留率优化等问题仍需优化。盐湖提锂的膜材选择落脚于有机膜。膜材料分为以陶瓷膜为代表的无机膜和以超滤膜、纳滤膜和反渗透膜为代表的有机膜。其中,陶瓷膜主要应用于工业过程分离的固液、纯化分离领域,有机膜则能有效去除水中微粒、高分离有机物质等,应用于水处理领域。膜材料通过微孔结构的孔径大小决定截留物质范围,因此膜材料分离精度和分离
24、效率的关键在于孔径分布和孔隙率。在实际应用中,膜分离法往往会基于不同膜的特点将其分别应用在不同工序环节。主要应用于盐湖的膜材料根据孔径范围可主要分为:(1)超滤膜(UF),孔径范围约为0.01-0.1微米,适用于固液或者大分子有机物分离,因此大多被应用在已经完成吸附解析的合格液中,通过过滤悬浮物粒等来降低后续纳滤膜的污染和损耗可能性;(2)纳滤膜(NF),孔径范围缩小至0.001-0.01微米,可以实现小分子有机物的浓缩(如锂离子),且纳滤膜是荷电膜,能对不同物质选择性提纯,此外根据电荷、粗糙度、孔径结构参数等还有如NF90、NF270、NF-1之类的不同类型的纳滤膜;(3)反渗透膜(RO),
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