[SMM Phân tích] Công nghệ mới trong sản xuất lithium cacbonat: Lộ trình và điểm nghẽn

Công nghệ sản xuất lithium carbonate đang ở thời điểm bước ngoặt. Phương pháp bốc hơi-kết tủa truyền thống đã thống trị việc khai thác lithium từ các hồ muối trong nhiều thập kỷ, trong khi phương pháp nung quặng lepidolite đã hỗ trợ ngành công nghiệp pin lithium tại Nghi Xuân. Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều có những hạn chế cố hữu—phương pháp hồ muối bất lực trước các loại nước muối có tỷ lệ magie/lithium cao, còn phương pháp lepidolite gặp phải tỷ lệ thu hồi thấp và lượng bã thải lớn—và những điều này từ lâu đã là mối lo ngại dai dẳng của ngành. Trong hai năm qua, một loạt công nghệ mới đã xuất hiện từ các phòng thí nghiệm và dây chuyền thử nghiệm. Một số đã đạt được xác nhận ở quy mô công nghiệp, trong khi số khác vẫn mắc kẹt ở vấn đề độ ổn định vật liệu và hiệu ứng mở rộng quy mô. Phần thảo luận sau đây bao gồm hai hướng chính: hồ muối và đá cứng.

Hướng hồ muối: Sự chuyển đổi mô hình từ "phơi nắng" sang khai thác lithium trực tiếp

Logic truyền thống của việc khai thác lithium từ hồ muối là "cô đặc-kết tủa": nước muối được bơm vào các ô phơi, quá trình bốc hơi bằng năng lượng mặt trời diễn ra trong nhiều tháng để tăng nồng độ lithium, sau đó loại bỏ tạp chất trước khi kết tủa. Phương pháp này từng hiệu quả trong các dự án ban đầu tại Atacama của Chile và Qarhan của Thanh Hải, nhưng khi đối mặt với các hồ muối kiểu carbonate ở Tây Tạng và nước muối phân nhóm sulfate-magie có tỷ lệ magie/lithium cao, con đường bốc hơi hoặc bị phá vỡ bởi lượng lớn carbonate hoặc bị cản trở bởi tính chất hóa học tương tự giữa magie và lithium, khiến việc tách trở nên khó khăn.

Công nghệ "chất hấp phụ ion lithium mới + giải hấp bằng carbon dioxide" do Viện Kỹ thuật Quy trình, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển là bước đột phá tiêu biểu nhất theo hướng này. Cốt lõi của nó là một chất hấp phụ mới được liên kết với các nhóm chức năng hiệp đồng phân cực-không phân cực, có độ chọn lọc đối với ion lithium vượt xa các loại rây ion truyền thống dựa trên mangan hoặc titan. Năm 2024, một dây chuyền thử nghiệm quy mô trăm tấn đã được xây dựng tại hồ muối Jiezechaka ở Tây Tạng (ở độ cao 4.600 mét). Dữ liệu vận hành cho thấy tỷ lệ khối lượng natri/lithium giảm từ 240 trong nước muối xuống dưới 1,0, tỷ lệ thu hồi lithium vượt 90%, lượng nước ngọt tiêu thụ giảm từ mức trăm tấn của phương pháp hấp phụ-màng truyền thống xuống còn 52 tấn cho mỗi tấn sản phẩm, và COD của nước muối thải gần với mức nền của nguyên liệu thô.

Khó khăn trong triển khai nằm ở kỹ thuật thi công ở độ cao lớn. Tổ máy thí điểm tại Jiezechaka đã vận hành bốn tháng với dung lượng hấp phụ ổn định, nhưng việc mở rộng từ quy mô trăm tấn lên quy mô vạn tấn liên quan đến tính đồng đều của phân phối chất lỏng trong tầng chuyển động liên tục, độ mài mòn cơ học của chất hấp phụ trong các chu kỳ hấp phụ-giải hấp lặp lại, và hiệu suất truyền khối của quá trình giải hấp ba pha khí-lỏng-rắn carbon dioxide—mỗi vấn đề đều là thách thức kinh điển trong mở rộng quy mô kỹ thuật. Khi công nghệ này thông qua đánh giá thành tựu khoa học công nghệ, nó được công nhận là "dẫn đầu quốc tế", nhưng để thực sự bước vào sản xuất quy mô lớn, vẫn cần ít nhất một vòng xác nhận nữa ở quy mô nghìn tấn trở lên.

Công nghệ "hấp phụ chiết xuất lithium từ nước muối thô" của Minmetals Salt Lake tiến xa hơn một chút. Tháng 3 năm 2025, cơ sở chiết xuất lithium từ nước muối hồ muối hiệu suất cao quy mô vạn tấn đầu tiên trên thế giới đã được đưa vào vận hành thử nghiệm tại Yiliping, Thanh Hải, chỉ mất bảy tháng từ khi khởi công đến khi hoàn thành. Điểm mấu chốt kỹ thuật của nó là phương pháp chiết xuất lithium dựa trên hấp phụ phù hợp với hồ muối kiểu phụ sunfat-magie, không cần tiền xử lý nước muối và trực tiếp đối mặt với các hệ phức tạp có hàm lượng magie, kali và natri cao. Tỷ lệ thu hồi tổng hợp tài nguyên lithium gần gấp đôi so với quy trình truyền thống. Cơ sở này đã vận hành hơn một năm, hoạt động liên tục và ổn định, với cả tỷ lệ tải đơn vị và tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn đều đáp ứng kỳ vọng thiết kế.

Tiến bộ mà nó mang lại có tính cấu trúc: quy trình truyền thống chiết xuất kali trước rồi mới đến lithium, khiến lithium bị pha loãng qua tổn thất cuốn theo ở mỗi bước; chiết xuất lithium trực tiếp từ nước muối thô bỏ qua giai đoạn bốc hơi và cô đặc, rút ngắn đáng kể quy trình và nâng tỷ lệ thu hồi từ 30%-40% ban đầu lên hơn 80%. Đối với số lượng lớn hồ muối kiểu phụ sunfat-magie ở Thanh Hải, lộ trình này có thể nhân rộng.

Hấp phụ điều khiển bằng điện là một hướng tiên tiến hơn. Nhóm nghiên cứu do Liu Zhong dẫn đầu tại Viện Hồ muối Thanh Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển vật liệu spinel với mangan thay thế tại vị trí titan (H₁.₃₃Ti₁.₁₇Mn₀.₅O₄), tận dụng độ ổn định cấu trúc của vật liệu gốc titan trơ và hoạt tính điện hóa của mangan để đạt dung lượng hấp phụ lithium 43,58 mg/g trong quá trình hấp phụ điều khiển bằng điện, với hệ số tách Li/Na là 420,6. Thách thức cốt lõi của công nghệ này là "mâu thuẫn giữa hoạt tính điện hóa và độ ổn định cấu trúc": chất hấp phụ gốc titan ổn định nhưng trơ về mặt điện hóa, trong khi chất hấp phụ gốc mangan có hoạt tính nhưng sự hòa tan mangan trong quá trình tuần hoàn dẫn đến sụp đổ cấu trúc. Chiến lược thay thế một phần titan bằng mangan của nhóm về bản chất là tìm điểm cân bằng giữa hai yếu tố này, nhưng sự hòa tan mangan và suy thoái điện cực trong quá trình tuần hoàn dài hạn vẫn là trở ngại chính cho công nghiệp hóa. Công trình này vẫn ở giai đoạn phòng thí nghiệm, được công bố trên Nano Letters và Environmental Science & Technology, và vẫn còn khoảng cách nhất định so với thử nghiệm thí điểm.

Lộ trình Mica: Khắc phục vấn đề "tạo vòng"

Chiết xuất lithium từ mica lithium ở Nghi Xuân, Giang Tây, hỗ trợ một nhóm doanh nghiệp bao gồm Yongxing Materials và Jiangte Motor, nhưng phương pháp nung sunfat truyền thống có một vấn đề quy trình lâu nay chưa được giải quyết: tạo vòng trong lò quay. Trong quá trình nung quặng mica có hàm lượng flo cao, các florua phản ứng với muối kali-natri tạo thành các eutectic nhiệt độ nóng chảy thấp bám vào và phát triển trên thành lò, cuối cùng buộc phải dừng lò thường xuyên để làm sạch. Ăn mòn thiết bị và tỷ lệ thu hồi thấp là hai điểm đau khác.

Dự án "công nghệ và thiết bị chiết xuất lithium hiệu suất cao từ mica lithium" do Viện Trường Sa thuộc China Aluminum International dẫn đầu nhắm cụ thể vào ba vấn đề này. Nhóm nghiên cứu đã tiên phong phát triển "công nghệ nung thay thế muối nóng chảy" thay đổi lộ trình phản ứng nung từ nguồn, ức chế sự hình thành các pha nhiệt độ nóng chảy thấp và do đó giải quyết nguyên nhân gốc rễ của việc tạo vòng và ăn mòn. Về mặt thu hồi, nhóm đã phát triển công nghệ thu hồi tổng hợp các kim loại có giá trị như kali và rubidi trong dung dịch ngâm chiết, cũng như quy trình loại bỏ tạp chất toàn phần để sản xuất lithium carbonate độ tinh khiết cao. Dự án hiện đã đạt được ứng dụng công nghiệp và vận hành ổn định tại nhiều dự án bao gồm Yongxing Special Steel, Lingneng Lithium, Fengxin Times và Yichun Longpan Times, với hàm lượng oxit lithium trong quặng đuôi dưới 0,3% và lithium hòa tan dưới 0,02%.

Ý nghĩa của việc triển khai công nghệ này nằm ở "khả năng nhân rộng". Năng lực chiết xuất lithium từ mica của Nghi Xuân là rất lớn, nhưng chất lượng quy trình giữa các nhà sản xuất không đồng đều, và các vấn đề tạo vòng cùng tỷ lệ thu hồi từ lâu đã hạn chế khả năng cạnh tranh về chi phí. Một mô hình công nghệ chuẩn hóa được xác nhận qua nhiều dự án có tác động trực tiếp đến việc giảm chi phí cho toàn bộ ngành mica lithium Nghi Xuân. Hiệp hội Công nghiệp Kim loại màu Trung Quốc đã công nhận nó là "dẫn đầu quốc tế", chủ yếu vì nó đã hoàn thành bước nhảy từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp hóa đa dự án.

"Đổi mới ngoại vi" trong lộ trình chiết xuất

Chiết xuất bằng dung môi không phải là phương pháp chủ đạo trong chiết xuất lithium từ hồ muối vì độ chọn lọc của chất chiết và áp lực môi trường luôn là vấn đề. Tuy nhiên, một nhóm tại Viện Kỹ thuật Quy trình, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển hệ thống chiết xuất cho dung dịch chứa lithium, đề xuất hai phương pháp tách chiết mới—tách chiết bằng nước và tách chiết bằng CO₂—đạt tỷ lệ thu hồi lithium vượt quá 99% và COD trong nước thải dưới 10 ppm. Kịch bản ứng dụng của nó rất cụ thể: nước cái kết tủa lithium. Trong sản xuất lithium carbonate truyền thống, nước cái sau khi kết tủa chứa lượng lithium đáng kể và thường được đưa trở lại công đoạn đầu để xử lý lại, dẫn đến quy trình phức tạp và hiệu suất thấp. Hệ thống chiết xuất này có thể chiết xuất trực tiếp lithium từ nước cái có hàm lượng natri-kali cao trong một bước để sản xuất lithium carbonate hoặc lithium chloride. Nó đã được trình diễn trên dây chuyền sản xuất quy mô vạn tấn của Qinghai Xinghua Lithium Salt và dây chuyền thí điểm tại Jiezechaka, Tây Tạng, và một dây chuyền chiết xuất nước cái kết tủa lithium quy mô vạn tấn tại Jiangxi Jiuling Lithium đang được xây dựng. Hạn chế của nó nằm ở năng lực xử lý: phương pháp chiết xuất phù hợp để xử lý dung dịch lithium nồng độ cao, nhưng đối với nước muối thô có nồng độ lithium chỉ từ hàng chục đến hàng trăm mg/L, tổn thất chất chiết và cuốn theo pha hữu cơ trở thành vấn đề kinh tế.

Các hướng đáng theo dõi chưa được mở rộng quy mô

Chiết xuất lithium trực tiếp bằng điện hóa là một trong những lĩnh vực hoạt động sáng chế sôi động nhất. Từ bối cảnh bằng sáng chế, ngành công nghiệp đang chuyển từ "tối ưu hóa vật liệu đơn lẻ" sang "tích hợp cấp hệ thống": hệ thống điện hóa tích hợp màng, lò phản ứng Faraday nhiều ngăn và kiến trúc lai hấp phụ-điện hóa đã trở thành các hướng đổi mới chính. Một tín hiệu đáng chú ý là khoảng 26% bằng sáng chế hàng đầu nhắm đến lithium hydroxide làm sản phẩm cuối cùng thay vì lithium carbonate. Điều này phản ánh nhu cầu ngày càng tăng đối với lithium hydroxide từ vật liệu cathode ternary hàm lượng niken cao và thực tế là các lộ trình quy trình sản xuất trực tiếp LiOH đang được xem xét nghiêm túc. Tuy nhiên, các nút thắt công nghiệp hóa của lộ trình điện hóa là rõ ràng: suy thoái tuần hoàn dài hạn của điện cực, tắc nghẽn màng (đặc biệt trong nước muối có tỷ lệ magie/lithium cao) và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng cấp hệ thống. Hấp phụ hiện là lộ trình DLE trưởng thành nhất, trong khi các phương pháp điện hóa và màng vẫn ở giai đoạn "cần xác nhận mở rộng quy mô thêm".

Kết hợp quang nhiệt và hấp phụ dẫn động bằng năng lượng mặt trời là một hướng đáng chú ý khác. Ý tưởng là sử dụng năng lượng mặt trời để làm nóng trực tiếp chất hấp phụ hoặc dung dịch giải hấp, giảm tiêu thụ năng lượng của quy trình. Ở các khu vực hồ muối như Tây Tạng và Thanh Hải với nguồn ánh sáng mặt trời dồi dào, nếu mức tiêu thụ nhiệt của hấp phụ-giải hấp có thể được kết hợp với sử dụng nhiệt mặt trời, chi phí biên sẽ rất cạnh tranh. Tuy nhiên, hướng này vẫn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu, với rất ít dữ liệu kỹ thuật về vật liệu và thiết kế hệ thống.

Kết luận

Trọng tâm cạnh tranh của công nghệ sản xuất lithium carbonate đã chuyển từ "có thể sản xuất được hay không" sang "có thể sản xuất ổn định với chi phí thấp và theo cách xanh hay không". Xác nhận quy mô vạn tấn của chiết xuất lithium trực tiếp từ nước muối thô hồ muối là một cột mốc quan trọng. Nếu cơ sở Yiliping của Minmetals Salt Lake có thể chứng minh tuổi thọ chất hấp phụ và độ ổn định quy trình của lộ trình này trong chu kỳ hai đến ba năm, nó sẽ mang lại sự tái cấu trúc chi phí đáng kể cho phát triển hồ muối ở Thanh Hải và thậm chí cả Tây Tạng. Nung thay thế muối nóng chảy trong lộ trình mica là một cải thiện hiệu suất trên cơ sở năng lực hiện có, và giá trị của nó nằm ở việc cho năng lực chi phí cao của Nghi Xuân một khoảng thở. Hấp phụ điều khiển bằng điện và chiết xuất lithium trực tiếp bằng điện hóa đại diện cho một tương lai xa hơn. Tiềm năng của chúng nằm ở khả năng xử lý tài nguyên cấp thấp và nước muối phi truyền thống (nước mỏ dầu, nước muối địa nhiệt) mà các phương pháp truyền thống không thể sử dụng kinh tế, nhưng các vấn đề về độ ổn định vật liệu và tích hợp hệ thống không thể giải quyết trong một hoặc hai năm. Đối với ngành công nghiệp, điều thực sự đáng theo dõi hiện nay là: dữ liệu vận hành dài hạn từ cơ sở Yiliping của Minmetals Salt Lake, tiến độ mở rộng quy mô nghìn tấn của công nghệ hồ muối kiểu carbonate từ Viện Kỹ thuật Quy trình, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, và tốc độ áp dụng công nghệ của Viện Trường Sa tại Nghi Xuân. Nhịp độ triển khai của ba tuyến này sẽ quyết định hình dạng đường cong chi phí lithium carbonate của Trung Quốc trong những năm tới.