リチウムの電気化学的精製：エンソがLiOHの生産をどのように支援しているか

本シリーズの第1回記事では、リチウム精製とリチウムリサイクルが、バッテリー、電動モビリティ、エネルギー貯蔵においてなぜますます重要になっているのかについて考察しました。リチウムの需要が高まるにつれ、課題はもはや原材料の確保にとどまりません。そこには、効率的で拡張性があり、ますます循環型になっていくプロセスを通じて、リチウムを含む資源を高品質なバッテリー材料へと転換することも含まれます。

第2回となる本記事では、その転換を支える技術についてさらに詳しく見ていきます。

電気化学的製法は、ある単純な原理に基づいています。すなわち、リチウムはさまざまな塩類に含まれており、それらの塩類を電気分解することで水酸化リチウム（LiOH）を得ることができるというものです。

リチウムの処理において、特に重要な塩類は塩化リチウム（LiCl）と硫酸リチウム（Li₂SO₄）の2つです。塩化リチウムは、サラール（塩湖）の堆積物から抽出されたものを含む塩水から得ることができます。対照的に、硫酸リチウムは通常、スポデューメンなどの硬岩鉱物の処理によって生成されるほか、電池のリサイクルに伴うストリームに含まれることもあります。

いずれの場合も、デ・ノラの技術は、リチウム塩を電池用途で使用される形態である一水和物水酸化リチウムに変換するように設計されています。電解槽の構成は塩の種類によって異なります。塩化リチウムには2室式セルが、硫酸リチウムには通常3室式セルが使用されます。

エンソ社はリチウム原料を1種類に限定していないため、この柔軟性は重要です。これは、塩を価値ある化学製品に変換し、廃棄物を削減することを目的として、さまざまな産業排水に適用可能な、より広範な塩分解プラットフォームの一部です。

氯化锂处理：双室电解槽

当起始原料为氯化锂时，该工艺采用双室电解槽。

氯化锂被送入电解槽的阳极侧。电解过程中，阳极处会产生氯气。锂离子通过阳离子交换膜向阴极室迁移，在那里与氢氧根离子结合形成氢氧化锂。在阴极处，还会产生氢气。

该过程的总反应可概括为：

2LiCl + 2H₂O → 2LiOH + Cl₂ + H₂

该工艺的工业价值不仅在于生产氢氧化锂，其副产品也能得到有效利用。氯气和氢气可重新结合生成盐酸，该盐酸可在上游工艺步骤中循环利用。

这是该工艺循环性特征之一：与使用昂贵的化学品并产生需要管理或处置的废物流相比，电化学路线所产生的流体在更广泛的锂加工链中具有潜在的利用价值。

当起始原料为硫酸锂时，该工艺通常需要使用三室电解槽。

在此配置下，硫酸锂被送入中央室。通过电化学反应，阴极产生氢氧化锂，而阳极则生成硫酸。此外，该过程还会产生氧气和氢气。

总体反应可概括为：

Li₂SO₄ + 3H₂O → 2LiOH + H₂SO₄ + ½O₂ + H₂

硫酸的生成尤为重要，因为该酸可在上游工序中循环利用，例如在处理锂辉石等硬岩型锂矿物时。通过这种方式，电化学步骤可以支持更集成的工艺流程，即一个阶段产生的化学物质可在另一个阶段得到再利用。

这使得硫酸锂加工不仅对初级提炼至关重要，对回收路线也尤为重要——在回收路线中，经废旧电池材料处理后，可从中回收含锂流。

传统氢氧化锂的生产可能涉及多个化学步骤。根据原料的不同，这些步骤可能包括沉淀、洗涤、转化为碳酸锂、进一步反应生成氢氧化锂、提纯以及一个或多个结晶阶段。

电化学法旨在简化这一生产链。

以氯化锂为例，德诺拉（De Nora）的内部工艺对比显示，传统工艺中的多个步骤可被单一电解阶段所取代。在传统工艺中，氯化锂通常首先转化为碳酸锂，随后进行结晶、洗涤、转化为氢氧化锂并进一步提纯。而采用直接电化学转化工艺，经提纯的卤水可直接送入电解槽，直接转化为氢氧化锂。

对于硫酸锂而言，同样的逻辑同样适用。电化学工艺可省去中间的固体沉淀和洗涤步骤，同时在一道工序中生产氢氧化锂和硫酸。

潜在的优势既涉及资本支出（Capex）——即建设工厂所需的投资，也涉及运营支出（Opex）——即长期运营的成本。

首先，工艺步骤的减少意味着Capex可能降低，因为工厂所需的设备单元更少，工艺流程也更简单。其次，减少大宗化学试剂的使用有助于降低Opex，具体取决于电价、试剂成本和废物处理成本。第三，该工艺可以减少或避免传统工艺中产生的一些废弃副产品，并用可回收或再利用的化学流体取而代之。

De Nora 锂精炼与回收方案的核心技术是 Enso。

Enso 是一种专为盐类电解工艺设计的 双室或三室电解槽。在锂应用中，这意味着将氯化锂或硫酸锂转化为一水合氢氧化锂。更广泛地说，Enso还可应用于其他盐类流，包括硫酸钠、碳酸钠、硫酸铵、TMA盐和氯化钠。

Enso最重要的特点之一在于其工业背景。其设计基于德诺拉日本公司在氯碱、锂及其他重型电化学工艺方面的丰富经验。氯碱是一种大规模的工业电化学工艺，这一背景是该平台可靠性和稳健性的核心所在。

这是一项重要的区别。Enso并非德诺拉试图放大规模的实验室设备，而是源自为严苛运行环境开发的工业电化学专业知识。这一点至关重要，因为锂精炼和回收不仅需要化学性能，还要求长期可靠性、可维护性、安全性和可操作性。

正如德诺拉能源转型与氢能业务部业务发展经理米歇尔·斯庞基亚多所指出的：“这是该设备的一大优势。它专为大型氯碱工厂而设计，并非在实验室开发后再进行规模化应用。它诞生于大型、要求严苛的工业设施，因此非常可靠且性能卓越。”

德诺拉（De Nora）的Enso产品系列旨在全程陪伴客户完成工艺放大过程。

实验室配置用于初始数据采集。它使德诺拉和客户能够测试卤水预处理要求、操作条件及产品纯度。这一阶段至关重要，因为含锂流体的性质可能因来源不同而存在显著差异，且输入电化学步骤的卤水质量是决定性因素。

Demo配置用于工艺优化、分析、开发和最终验证。该配置可安装在客户现场，并使用实际工艺流进行连续运行，从而提供关于性能、能耗和产品质量的更具代表性的数据。

在此基础上，该技术可通过Plant和Plant XL配置扩展至商业规模。这些是专为大规模部署设计的工业级产品规格。

具体配置的选择取决于应用场景。对于三室电解槽，德诺拉通常采用“Plant”规格，部分原因在于目前市场上阴离子交换膜的尺寸存在限制。对于双室电解槽，在条件允许的情况下可采用“Plant XL”规格，因为其更大的有效面积能在规模化生产中提升经济效益。

斯蓬基亚多将这一路径的逻辑描述为降低规模化风险的一种方式：“我们可以陪伴客户从实验室测试到工业安装的全过程。中间电解槽至关重要，因为它可以使用客户的实际卤水连续运行，所得结果随后将用于向工业电解槽进行规模化。”

这种结构化的规模化路径在锂应用中尤为重要，因为不同的原料和杂质成分会影响工艺性能。

随着电化学工艺规模的扩大，能耗成为一个关键变量。在电价较高的地区，这一点尤为明显。

因此，德诺拉（De Nora）可提供一种额外的技术方案：氧脱极化阴极（ODC）。该技术能够降低电池电压，从而降低工艺的单位能耗。

与此同时，德诺拉的锂应用正从研发阶段迈向工业化应用。公开及保密项目均表明，该技术既可应用于原生锂加工，也可用于废旧锂离子电池的回收。

在常规配置中，氢气是在阴极产生的。在某些工业场所，这种氢气可能无法直接利用。如果无法加以利用，它就会成为需要进行管理的废气流。

ODC 提供了一种替代方案。该电池的设计不再在阴极产生氢气，而是消耗氧气。这改变了阴极反应，并降低了电池电压。由于能耗与电池电压直接相关，因此可以显著降低工艺所需的单位能耗。

德诺拉（De Nora）的内部资料对比了产生氢气的阴极与消耗氧气的气体扩散电极。ODC 配置降低了所示参考案例中的能耗需求，因此在电费成本是主要考量因素的情况下尤为适用。

斯庞基亚多从实际角度解释了这一原理：“不在阴极析出氢气，而是还原氧气。其结果是电池电压下降约 0.7 至 0.8 伏，因此单位能耗大幅降低。”

德诺拉（De Nora）的锂与盐分离技术已应用于多个工业项目。

一个公开案例是Mangrove Lithium，这家技术提供商开发了一种获得专利的电化学工艺，可将来自矿山开采和废旧电池回收的锂转化为高品质的电池级氢氧化锂。德诺拉日本公司为其提供堆叠式电解槽，这是Mangrove电化学锂提纯平台的核心部件。该应用涵盖LiCl/Li₂SO₄转化为LiOH·H₂O，据报道年产能为1,000吨，计划于2026年投产。

另一个公开案例是Tuleva，这是一家致力于清洁能源材料可持续生产的美国公司。德诺拉将为其提供一套完整的工厂，包括两套离子交换膜双极电解系统。该工厂将建于阿肯色州，设计总产能为每年11,000吨LiOH·H₂O，计划于2026/27年开工建设，并于2028年投产。

这些项目展示了恩索如何支持从工艺开发向商业化部署的转型。