打碎矿石得到锂，特斯拉掀锂生意牌桌，背后技术解密

编辑按：本文转载至微信公众号“智东西”，飞鲸投研经授发布 。

“你不能错过这个机会，这就像是一张印钞许可证。”

这是马斯克在2022年特斯拉财报会上呼吁全球更多企业进入锂精炼行业所言，而在日前的股东大会上，特斯拉也是又一次提到了锂精炼的重要性。

现在，锂是决定动力电池成本的核心原料，也是决定电动汽车成本的原材料之一，而这两年电池级碳酸锂/氢氧化锂的价格也是居高不下，就在前两天，电池级碳酸锂的价格又冲上了30万元/吨，可见要想更好地控制电动汽车的成本，上游的锂产业也不可忽视。

不过，马斯克也不止一次地说过，锂矿原材料并不是多么稀缺，缺的是更多企业来参与锂精炼，用更先进的技术来提高锂精炼的效率，降低成本。

呼吁了半天，马斯克也撸起袖子自己开锂精炼厂了，前不久，马斯克就为得州的锂精炼厂举行了破土动工仪式。而且在仪式上，马斯克不止一次地强调了自家使用的锂精炼技术是一种不同于传统锂精炼的技术路径，既环保又高效成本还低，甚至直言“你可以住在这个厂里，也不会受到任何影响”。

马斯克在锂精炼厂破土动工仪式上（图源特斯拉中国）

马斯克所提到的跟现在的主流做法有很大不同，而对于自家的锂精炼技术，特斯拉电池原材料和回收负责人特纳在奠基仪式上做了简要的讲述，特斯拉的锂精炼技术将使能源消耗减少20%，消耗的化学药剂成本会低60%，所以总成本也会低30%，同时精炼过程所产生的副产品也是无害的。

按照特斯拉的说法，这么好的技术是如何实现的呢？为何之前没有其他公司采用？又怎么保证副产品无害？最后又如何实现特纳所说的低成本？

对于此项技术，特斯拉也只是在不断强调不会使用强酸，产生的副产品无害，整个工艺过程也会更加精简，但基于底层逻辑，还是得通过化学反应将锂置换出来。

虽然特斯拉没有透露更多的细节，我们还是通过特斯拉2021年的一项专利找到了蛛丝马迹，发现特斯拉确实没有按常理出牌。

01.特斯拉摆脱强酸提锂的秘密

虽然特斯拉锂精炼厂破土动工仪式是近期才开始的，但是特斯拉在锂精炼的相关布局或许可以追溯到2018年。

在2020年12月29日，特斯拉提交了名为“从粘土矿物中选择性提取锂”的专利申请，并且，该专利已于2021年7月8日公布。

特斯拉“从粘土矿物中选择性提取锂”专利部分截图

而在这份专利中，发明人Turner Caldwell于2018年加入特斯拉，是这个专利发明团队中最早加入特斯拉的，所以或许从2018年开始，特斯拉就在组建锂精炼技术研究团队。

同时，在2020年特斯拉电池日上，马斯克就表示特斯拉将收购美国内华达州一座占地约40万平方公里的锂矿。今年2月，特斯拉又表示考虑收购加拿大的上市锂矿企业西格玛锂业公司，以为其在得州的锂精炼厂供应关键原料。

也就是说，特斯拉现在有了技术、原材料，工厂也正在修建中，按照特斯拉的预想，用自己的技术低成本高质量精炼出锂来指日可待。

那么，在锂精炼上布局了这么久的特斯拉，锂精炼技术到底如何呢？我们或许可以从这份“从粘土矿物中选择性提取锂”的专利中得到答案。

首先，特斯拉的专利技术是从粘土矿中来精炼锂，几种常见的粘土矿包括高岭石、蒙脱石、伊利石等。

而根据特斯拉在2020年电池日收购内华达州的锂矿来看，特斯拉主要会以蒙脱石为原料来提取锂，因为内华达州的蒙脱石锂矿相对比较丰富，同时，蒙脱石开采便利、剥采比低（剥离的岩石量与所采矿石之比）低且无需爆破，因此在前端采矿环节相比锂辉石具备成本优势。

蒙脱石的原子结构是由框架层和中间层组成的，框架层包含锂、钾、铝、钙等，中间层包含锂、钠、钾和镁等，可以看出，在其框架层和中间层中都含有锂。

蒙脱石的原子结构

如果从框架层中提取锂，耗能比较高，因为框架层的锂是用化学键键合的；而如果从中间层中提取，耗能则比较低，因为中间层的锂是靠分子间作用力固定的，引力较弱。

传统锂精炼企业给出了利用酸浸从框架层中释放锂的方法。

但此方法一是成本高，因为需要将粘土分解成溶液中的离子，所需酸的量很大；二是副产品多，酸浸会释放晶体结构中大多数类型的离子，如前面提到的钠、镁等；三是监管难度大，硫酸和粘土汤释放到大自然前必须先中和，会增加建设矿山的环境监管难题。

而特斯拉则选择从中间层提取锂，利用阳离子交换将锂从中间层中分离出来，这在特斯拉的专利中也有所体现。

阳离子交换过程

至于用什么来提取锂，从专利上来看，特斯拉以钠离子/镁离子为阳离子源，这里以氯化钠为例，将氯化钠与水和粘土混合，中间层中的锂比氯化钠中的钠对水的吸引力更强，这意味着在适当的条件下，氯化钠中的一些钠可能会与锂交换位置，从而将锂释放到溶液中去，这就是专利所说的“选择性”。

同时，由于只“选择”了锂，不会破坏限制杂质的粘土矿晶体结构，从而降低生产成本。此外如果使用水和盐代替酸，粘土则更容易回归自然环境。

不过，从中间层提取得话要面临两个问题：一是前文所提及中间层的锂含量较少的问题；二是阳离子交换过程会比较慢，需要催化剂，比如酸。

对于第二个问题，特斯拉在专利中给出了答案——球磨机。

球磨机（图源网络）

特斯拉使用的高能研磨机被广泛称为球磨机，特斯拉在专利中提到了行星式球磨机、Spex磨机、磨矿机和振动磨机等。

利用球磨机来处理粘土矿是一种机械化学法，该方法运用球磨机的高能量机械力作用，将多种超细粉体表面激活，达到改变微粒表面活性、化学吸附、晶体结构、溶解性的目的，使得粉体微粒相互融合、嵌入、吸附而成功复合。

球磨机工作

所以球磨机利用高速和离心力来施加冲击力、剪切力和摩擦力，这就是特斯拉锂粘土提取过程中的关键之处，高能机械作用减小了粘土颗粒尺寸，使粘土晶体结构变形，并驱动化学变化。

与使用化学能分解粘土晶体结构的硫酸工艺不同，高能研磨机使用机械能使粘土晶体结构相对完整，粘土颗粒变小并变形，但本质上仍然是粘土，高能球磨驱动的结构变化允许盐水溶液作用于粘土晶体中的锂，并通过阳离子交换选择性地提取锂。

在特斯拉的专利申请中，提出了三种从粘土中提取锂的方案，主要区别是加入阳离子源（如氯化钠）的时间是在进行高能碾磨的同时、之前还是之后。

在高能研磨前加入阳离子源

值得注意的是，盐、水、粘土和高能研磨发生的特定顺序对锂的提取效率影响不会很大，以氯化钠作为阳离子源为例，平均来看，在高能研磨前加入氯化钠比在高能研磨中加入时要高，约7%。不过，从图中也可以看出，研磨时间对锂的提取效率影响很大，当研磨时间达到2-3个小时，锂提取效率最好。

阳离子源在高能研磨前/后锂提取效率对比

所以，总的来说，特斯拉利用球磨机可以用物理的方式使得粘土的颗粒变小变形，晶体结构相对完整，所驱动的结构变化允许盐水溶液作用于粘土晶体中的锂，并通过阳离子交换选择性地提取锂离子。

同时，特斯拉在专利中还表示“所述粘土材料还包含一种或多种另外的矿物，所述另外的矿物选自锂辉石、锂云母、铁锂云母、蒙皂石、锂蒙脱石、白云母及其组合”，也就是说，虽然是以粘土矿来研究的，但是这项专利也可以用于含锂的其他矿物，如锂辉石等。

02.不同提取方案对比测试

除了给出使用球磨机的技术方案外，特斯拉还在专利中对比了“非选择性硫酸浸出”、“选择性提取”、“选择性浸出”的提取效率。

三种锂提取效率

在“非选择性硫酸浸出”方法中，将37 .5g粘土材料与112.5g硫酸（浓硫酸，196g/L）混合以形成150g浆料，该浆料于65℃浸出2小时以通过非选择性浸出而形成浸出溶液。最后锂提取效率大约为85%，但同时析出了大量的铝、钙、镁和铁等阳离子，这些都需要后续工艺去除。

非选择性硫酸浸出

同时，粘土矿与硫酸配比为1：3，又根据最后的锂提取率为85%，而粘土矿中锂含量为0.13%-0.16%，粗略计算，提取1g锂大约需要消耗2474g硫酸，可见成本之大。

在“选择性提取”方法中，将40g粘土材料和4gNaCl添加到PM100行星球磨机中并于500rpm下碾磨2小时以形成选择性提取产物，此时大约会有百分之五十的锂被释放出来，但杂质已经大量减少了。

选择性提取

在“选择性浸出”方法中，将33g来自“选择性提取”方法的碾磨混合物（即30g粘土材料和3g NaCl）添加到117g水中以形成浆料，并在65℃下浸出2小时以通过选择性浸出过程而形成浸出溶液，此时锂提取效率大约为70%，且杂质会变得更少。

选择性浸出

可以看出，“选择性浸出”比“选择性提取”多了“水浸”这一步，或许当“水浸”的温度达到某个数值能够增加提取效率。

不过，该专利仅涵盖生产电池级氢氧化锂或碳酸锂的前几个步骤，随着浸出液的纯化，锂从浸出液中分离出来，再转化为氢氧化锂或碳酸锂，最后的锂提取效率将会低于70%。

03.为什么锂对特斯拉这么重要？

特斯拉在锂精炼厂破土动工的当天表示其锂精炼厂预计在2025年可以全面投入使用，到时候布局了这么久的结果如何就能见分晓了。那为什么特斯拉要这么费力地自己入局锂精炼呢？毕竟现在锂精炼也算是相当成熟了，特斯拉的手甚至也伸向了更加上游的锂矿开采，比如收购加拿大的上市锂矿企业西格玛锂业公司。

直接原因无非就是现在电池级碳酸锂和氢氧化锂的价格波动很大，从2022年年初开始，电池级碳酸锂价格约为28万元/吨，3月份又上升至50万元/吨，在11月一度突破60万元/吨，之后又从2022年年底55万元/吨一路降至今年4月份的18万元/吨，可见电池级碳酸锂的价格波动之大。

2022-2023.5电池级碳酸锂走势（数据来源：SMM）

而透过表面的碳酸锂价格波动，特斯拉入局锂精炼产业的深层逻辑有三点。

一是特斯拉想尽可能地保证电池的质量和安全性，马斯克对自家的技术还是比较自信。

二是节省成本，提高利润。马斯克一直在说特斯拉要实现年销2000万辆的目标，相应的电池需求量将会巨大的，所以，对于特斯拉来说，自建锂精炼厂更加划算。

三是保障可用的锂供应，让特斯拉对供应链有更多的控制权，可以灵活地接受原料，包括工业废弃物和电池等，形成良性循环。这将增加特斯拉的垂直整合能力，减少外部依赖，将生产链和成本都牢牢地把握在自己的手里。

除此之外，拜登政府在2022年8月出台的《通胀削减法案》也是促使特斯拉选择自建锂精炼厂的原因之一。

法案中规定，在美国生产的电动汽车要想拿到所有的税收减免，其电池生产的核心原材料必须来自美国本土。具体来说，从2023年开始，电池中的核心矿物至少有40%来自美国；2026年以后，占比至少要达到80%。所以，特斯拉作为美国最大的电动汽车企业，自然要在上游产业上提前布局。

04.国内锂矿双雄 占据全球半数产能

在锂矿精炼这个行业内，特斯拉只能算是后入局者。

而我国的锂矿精炼技术已经比较成熟，在直供电池用的锂矿精加工领域占据了全球近一半的产能。其中天齐锂业和赣锋锂业更是全球范围内锂精炼的龙头厂商，同时，两家企业主要采用硫酸锂苛化法来用锂辉石生产氢氧化锂。

除此之外，天齐锂业也在致力于进一步处理好锂精炼中产生的副产品。从申请的专利来看，“硫酸法锂盐生产的尾气综合处理工艺方法”、“锂辉石制备氢氧化锂的方法及去除钠钾的方法”等为在传统硫酸法上对所产生副产品的处理进行了改进。

同时。天齐锂业也在对锂提取过程中的装置进行改进，如专利“从盐湖卤水中提取氢氧化锂和氢氧化钠的方法及装置”，这就是一种双极膜电渗析系统，可以在电渗析的同时，将锂钠初步分离，减少氢氧化锂的重结晶次数，缩短工艺流程。

同样作为国内锂矿“双雄”之一的赣锋锂业，其产品也包括电池级碳酸锂、电池级氢氧化锂，赣锋锂业也主要从锂矿石和卤水中精炼锂，不过，赣锋锂业回收提锂技术也比较成熟。

赣锋锂业废旧锂材料循环回收利用技术

而从赣锋锂业的专利来看，如“一种从锂辉石浸出液除杂渣中回收镁和锰的方法”、“一种氢氧化锂生产母液除钾的方法”来看，其仍然是对副产品的回收处理。

值得注意的是，赣锋锂业在今年4月11日公布了一份“一种电池级氧化锂高效自动球磨生产装备”的专利，虽然是用来制造电池级氧化锂，不过或许赣锋也会将球磨机用在生产电池级碳酸锂和电池级氢氧化锂上。

一种电池级氧化锂高效自动球磨生产装备

05.结语：特斯拉或重塑电池材料产业格局

随着电动车的快速普及，锂电池就被视为“新时代的石油”，而锂则变成为了这场能源革命中的关键材料。

目前，锂矿精炼技术虽然已经比较成熟，但是在环保和效率方面还有很大的提升空间，从特斯拉公布的专利来看，特斯拉通过机械化学技术路径来取代传统的强酸提取，可以更高效低成本地提取锂，就像特斯拉采用一体压铸来改进整车的制造效率一样，由于巨大的产能需求，特斯拉还需要定制一个不同于传统工业上所用的球磨机。

特斯拉的锂精炼技术路线如果能够跑通，将会带来更高效更低成本的电池级氢氧化锂或碳酸锂，这样势必会重塑锂精炼上游产业格局，其影响到底有多大，等到2025年特斯拉锂精炼厂建成之后应该会逐渐显现。