POSCO集团二次电池材料布局

供稿|罗晔

近年来，由于伦敦金属交易所(LME)行情对经营业绩产生较大影响，因此，韩国POSCO集团的钢铁和有色金属业务都具有一定不确定性。从20世纪90年代开始，POSCO集团一直在努力实现业务多元化，2018年11月正式将钢铁、全球基础设施和新发展等三大业务板块的销售比重分别定为40%、40%和20%，并持续到2030年。

据SNE Research等研究机构预测，随着全球电动汽车市场和锂电池市场的迅速增长，纯电动汽车和混合动力汽车(BEV和PHEV)等全球电动汽车市场的销售额将从2020年的300万辆增长到2025年的900万辆，锂电池市场规模也将从2020年的329 GWh扩大至2025年的610 GWh，年均增长率将超过22%[1]。电动汽车市场的发展也将推动二次电池市场的增长，从而对正极、负极材料和锂等原材料产生大量需求。这些市场变化为POSCO集团提供了展现能力的好机会。POSCO集团拥有向全球汽车制造商提供钢材的经验，对汽车行业有着较为深刻的了解。因此，POSCO集团从2019年起加速发展二次电池业务，而POSCO化学公司则是负责该业务的子公司。

截至目前，POSCO集团已经初步构建了“从非金属原料到正负极材料”的综合供应体制，今后还将致力于打造二次电池材料业务。在正极材料方面，通过收购海外锂矿山和盐湖等资源的股权，可以自主生产和加工氢氧化锂和碳酸锂。虽然目前产能规模不大，但随着材料发展战略的正式实施，产量还将进一步扩大。在负极材料方面，POSCO化学公司已经公布了人造石墨新厂建设的日程表。通过构建“锂(POSCO)→正极材料(POSCO化学)，煤焦油(POSCO)→针状焦炭(PMCTECH)→负极材料(POSCO化学)”的价值链(图1)，致力于打造二次电池材料核心业务[2]。

图1 POSCO集团二次电池材料业务的垂直一体化

一次电池在放电后无法继续使用。与之不同，二次电池在储存电量后可重复使用，更为经济环保，主要应用于储能系统、电动汽车、手机和IT设备等。二次电池的四大核心要素包括：正极材料、负极材料、隔离膜和电解液，见图2。

图2 二次电池的构成及正负极材料

三元前驱体由钴、镍、锰等金属结合制备而成，再与锂结合后，就制备出正极材料。正极材料在二次电池的四大关键材料中占比最大。此外，电池充/放电时从正极材料的晶格中释放/吸收锂，从而实现电池储存和释放电能。正极材料含锂越多，容量越大；
负极材料和正极材料的电位差越大，电压就越大。

负极材料在电池充电时储存锂离子，在放电时释放。也就是说，当电池处于充电状态时，锂离子存在于负极中，放电时锂离子会通过电解液再次向正极移动。

二次电池产业的价值链主要涵盖了电动汽车电池、电池正负极材料、前驱体及锂、镍、石墨等二次电池电极材料原料。其中，锂具有发电和充电的作用，镍有助于延长汽车行驶里程，而石墨作为负极材料的原料，主要用于储存锂离子。目前，POSCO集团正在大力开发环保高纯镍冶炼工艺。此外，还计划从废电池中回收镍及锂、钴等金属，以引领资源循环。

POSCO化学公司的前身是浦铁炉材有限公司，由三和化成有限公司(碱性耐材生产和销售)和浦项筑炉有限公司(工业炉维修和建造施工)在1994年合并而成。作为一家综合性炉材企业，POSCO化学公司涵盖了从耐火材料制造到施工的业务。POSCO核心业务概况见表1。2008年委托运营POSCO钢铁厂的石灰焙烧设备，2010—2011年开始委托运营钢铁厂内化工产品的销售，2019年由“POSCO化学科技公司”正式更名为“POSCO化学公司”。2020年完成了1万亿韩元的有偿增资，逐步发展成为电池综合材料企业[3]。

表1 POSCO 核心业务概况

为着力打造能源材料业务，POSCO化学公司于2010年8月收购了LSMTron集团的负极材料业务部；
2019年4月合并了正极材料生产企业POSCO ESM公司，从而提高正负极材料业务之间的协同作用，并通过整合“营销-生产-研发”来增强公司的整体能力(表2)。目前，该公司在韩国光阳、世宗和龟尾等地设有生产厂，同时继续推进海外工厂的设立，创建全球生产体系(表3)。作为韩国惟一一家可以同时生产正极材料和负极材料的企业，POSCO化学公司的负极材料在全球市场占有率为11%，位居世界第四[4]。通过为全球电池和汽车企业供应前驱体材料，有助于提升客户竞争力。

表2 POSCO化学公司二次电池材料业务发展历程

表3 POSCO化学公司产能概况

POSCO化学公司与POSCO锂业务合作开发的高镍NCM三元正极材料，采用先进的智能工厂的自动化工艺，有力确保高镍正极材料质量技术实力和产量基础，主要用于电动汽车电池。另外，自主开发了高容量正极材料制造技术PG-NCM (POSCO Gradient-Ni-Co-M)，使颗粒的中心部分和表面部分组成不同(图3)，将中心镍含量提高到80%以上，在不影响热力学稳定性的情况下提高了产能，同时确保高容量和稳定性[5-6]。POSCO化学公司主要正极材料产品见表4。

表4 POSCO化学公司正极材料产品

图3 PG-NCM的结构特征

POSCO化学公司是韩国一家生产天然石墨负极材料的企业，实现了韩国本土化生产，产品质量在全球市场获得广泛认可。其自主开发了低膨胀天然石墨负极材料和纳米级均匀表面涂层技术，满足客户的严苛要求，通过工艺创新实现世界一流的生产效率。随着碳材料业务逐步开展，目前正在力推人造石墨负极材料的生产。POSCO化学公司主要负极材料产品见表5。

表5 POSCO化学公司负极材料产品

为了应对电动汽车二次电池市场规模的扩大，POSCO化学公司在韩国本土积极进行产能扩张，见图4。据扩产计划，天然石墨负极材料产能从2020年的4.4万t增至2023年的10.5万t，2023年人造石墨负极材料产能将新增1.6万t；
正极材料从2020年的3.9万t提至2023年的9.8万t。

图4 POSCO化学公司二次电池材料产能及扩产计划

正极材料是影响电动汽车电池性能的四大核心材料之一。为应对电动汽车电池市场的迅速增长，POSCO化学公司也在持续扩增正极材料生产线。2018年在韩国龟尾建成了年产1万t的正极材料工厂，2019年在光阳栗村产业园建成了5000 t的高镍正极材料1期产线，2020年建成2.5万t的2期产线。目前POSCO化学公司正在建设3万t规模的3期产线并将于2022年投产；
2021年2月，4期产线项目正式开工建设，总投资额达2758亿韩元，新增产能3万t，并将于2023年投产。完成4期扩建后，POSCO化学公司正极材料的生产能力将扩至10万t，可用于110万余台60 kWh级电动汽车的电池。

此前，POSCO化学公司主要为LG化学公司供应天然石墨，随着LG化学公司对电动汽车电池需求的增加，POSCO化学公司也正式开启了扩产计划。目前该公司世宗工厂每年生产4.4万t负极材料，2020年通过POSCO集团董事会宣布投资2177亿韩元，兴建人工石墨负极材料浦项工厂，2020年动工，计划于2023年竣工，设计年产能1.6万t，可供36万辆电动汽车使用。通过分阶段扩建，计划2023年负极材料年产能达到12.1万t，2030年增至26万t。POSCO化学公司具体扩产计划见表6。

表6 POSCO化学公司产能扩增投资计划

2018年1月，POSCO化学公司与中国浙江华友钴业股份有限公司签订了协议，在中国浙江省桐乡市合资成立三元前驱体和正极材料的生产企业——浙江华友浦项新能源材料有限公司(ZPHE)，由此正式进军中国市场。这一举措成功稳定采购钴、镍、锰等主要原料，确保正极材料的成本竞争力。该三元前驱体材料项目设计年产能3万t，其中一期项目年产能5000 t，于2019年11月建成投产。

用作正极材料原料的锂有碳酸锂和氢氧化锂。此前，二次电池行业主要以碳酸锂作为正极材料的原料，随着二次电池技术的发展，业内开发了含镍量80%以上的正极材料，而氢氧化锂的需求也在逐渐增加。

锂之所以用作二次电池的正极材料原料，这是因为锂元素本身带有电离的倾向。但是锂本身具有易燃性和爆炸性，且与空气和水接触时，会发生剧烈的化学反应。因此，锂主要存在于硬岩、黏土和盐水中。表7为锂主要以盐水型(Brine)和硬岩型(Hard Rock)两种方式进行商业化生产的分析对比。

表7 锂生产方式的比较

以盐水型方式生产时，可以直接生产碳酸锂和氯化锂。生产的碳酸锂可以转化为氢氧化锂和氯化锂，而氢氧化锂和氯化锂也可以反向转化为碳酸锂。如果需要锂金属，可以采用氯化锂-氯化钾低共熔混合物经熔盐电解析出。硬岩型方式主要生产氧化锂，并对其进行加工，进而生产碳酸锂和氢氧化锂，见图5。

图5 不同生产方式下锂最终产品和用途

从产品来看，碳酸锂和氢氧化锂在全球市场占有率达70%左右，两者都用于二次电池，但碳酸锂常用于IT设备，氢氧化锂主要用于电动汽车电池。目前，澳大利亚、智利和阿根廷等三国的锂产量占到了全球的90%。随着电动汽车电池正极材料需求的增加，氢氧化锂的稳定供应显得尤为重要。由于地下矿藏资源先天不足，自2017年以来，碳酸锂在韩国市场供应不足，进口依赖度仍高达95%以上，而在中国的市场占有率高达60%～70%。因此，POSCO集团一直试图扩大氢氧化锂产能，直至全面覆盖韩国国内市场的锂需求。

自2010年以来，POSCO集团与浦项产业科学研究院(RIST)合作开发从盐水和矿石中提取锂的技术。传统的曝晒蒸发工艺需要较大的蒸发池塘，而且容易受到气候和环境的影响，POSCO自创的超高速锂直接提取技术PosLX(POSCO Lithium Extraction)弥补了这些不足，该技术从低浓度盐水中提取磷酸锂，通过化学反应将其转化为氢氧化锂和碳酸锂，仅需少量的盐水就可以提取相当量的锂，而且提取周期缩短至3个月以内，锂回收率大于80%，无需额外的提纯工序。另外，此工艺不使用任何有害的有机物质，仅排放少量的氯化钠和硫酸钙等无机尾矿，对土壤和生态系统的环境影响可降至最低，因而是一项兼具经济性和环保性的技术[7]。两种工艺的具体过程如图6所示。

图6 工艺流程对比：(a)传统工艺；
(b)PosLX工艺

2017年2月，位于韩国光阳钢铁厂内的合资工厂PosLX产线投入运营。该示范工厂设计年产能2500 t，目前已经稳定运营2年以上，为锂商业生产做好了准备。2018年2月，POSCO集团与澳大利亚皮尔巴拉矿业公司(Pirbara Minerals)签署了年产3万t的锂精矿长期采购协议，并购得4.7%的股份。根据该协议，从自有Pilganggoora矿山中开采硬岩型锂精矿，然后供给PosLX工厂，并将其转化成每年4万t的碳酸锂和氢氧化锂。

2021年4月，POSCO集团正式对外宣布，将在光阳经济自由区栗村工业园区兴建一座年产4.3万t的锂提取厂，这4.3万t锂相当于100万辆电动汽车的用量。该锂提取厂将以澳大利亚进口的锂矿石为主要原料，采用自主研发的生产工艺生产氢氧化锂，计划于2023年竣工。

尽管POSCO集团曾计划到2020年将氢氧化锂年产能扩增至3万t，但由于海外锂精矿并不能及时满足生产需要，因此，优先采用了“磷酸盐沉淀法”(图7)的回收技术[8]。由于磷酸锂在水中的溶解度约为0.39 g/L(20 °C)，首先在碳酸溶液中溶解废弃二次电池中的磷酸锂，然后添加氢氧化钙等强碱物质，从而制备出氢氧化锂，锂回收率在80%以上。与进口锂精矿相比，该工艺具有明显的成本优势，经济性突出。

图7 磷酸盐沉淀法制备氢氧化锂流程示意图

对锂矿石及盐水的锂提取项目进行长期投资，将主要从锂精矿、盐湖、废弃二次电池等三大原料来源生产碳酸锂、氢氧化锂和磷酸锂，由此构建锂原料供应体系。POSCO化学公司计划在2023年建成年产7万t的锂生产体系，到2026年增至13万t，到2030年建成年产22万t的锂生产体系。

此外，2018年8月，POSCO集团与澳大利亚Galaxy Resources公司签订了一项协议，出资2.8亿美元的价格收购了阿根廷Hombre Muerto盐湖矿业权，该盐湖矿区面积为1.75万m2，在过去的20年间，每年可生产2.5万t锂化合物。2020年11月，POSCO集团特邀国际权威机构美国蒙哥马利(Montgomery&Associates)公司对阿根廷Hombre Muerto盐湖的储量进行了再次评估，确定锂储量高达1350万t，比收购时增长了6倍。另外，在当地成功运行示范工厂一年多，POSCO集团已经积累了生产诀窍，培养了专业人才，为商业化生产做好了准备。

镍作为正极材料的关键原料，有助于提高二次电池的容量，提升电动汽车的行驶里程。近年来，随着高镍正极材料应用的不断扩大，确保稳定的镍来源也显得非常重要。2021年5月，POSCO集团与加拿大第一量子矿业(First Quantum Minerals)公司签署了一项协议，以2.4亿美元收购了旗下雷文斯索普镍矿(Ravensthorpe Nickel Operation)公司30%的股权。Ravensthorpe是一家澳大利亚镍矿业和冶炼企业，除了自有镍矿以外，还拥有冶炼设备及海水淡化、硫酸制造、废物处理等配套设备。自2024年起，Ravensthorpe每年将向POSCO集团供应3.2万t(纯镍7500 t)镍加工产品 (混合氢氧化镍钴)，这相当于18万辆电动汽车的供货量，POSCO集团可以稳定地获得二次电池材料业务所需的原料镍。由此，今后POSCO集团也将涵盖电池用硫酸镍和前驱体业务，从而为寻求与二次电池材料相关的更多商机。据全球市场调查机构WoodMac预测，2030年全球电动汽车市场规模将超过3200万辆。作为高容量电池正极材料的必备原料，高纯镍的需求同样以年均23%的水平快速增长，预计2025年后会出现供应不足的现象。

2021年8月，POSCO集团宣布投资约2300亿韩元，在与SNNC相邻的光阳钢铁厂东湖岸新建一座年产2万t高纯镍精炼厂，可以用于50万辆电动汽车的二次电池[9]。该厂将以纯度75%的镍锍为原料，采用湿法制备纯度99.9%以上高纯镍。在集团子公司SNNC(Société de Nickel de Nouvelle Calédonie et Corée)的现有设备中新增脱气工序，生产镍锍，再由POSCO钢铁公司提炼出高纯镍，提供给POSCO化学公司。

在全球电动汽车电池市场，以LG化学公司为首的韩国企业稳居全球第二。目前，LG化学公司主要混搭使用天然石墨和人造石墨，而且人造石墨大部分从日本进口。虽然天然石墨的生产工艺简单，价格便宜，能量容量大，但是人造石墨在寿命和稳定性方面都很出色。因此，人造石墨在负极材料中比重还会继续增大，且混搭使用的趋势会持续一段时间。

石墨的稳定供应就是电池企业最关心的根本问题。今后POSCO集团将探索原料来源多样化，采购非洲、澳大利亚等国的石墨，将从中国进口石墨的比重降低到50%以下。目前POSCO集团正在与澳大利亚矿企BlackRockMining公司协商，收购坦桑尼亚马亨吉矿15%的股权，交易规模达750万美元。一旦签订最终协议，POSCO集团将获得负极材料用石墨微粉的永久采购权。

POSCO化学公司于2011年在韩国国内最早实现负极材料的自主生产，通过引进新产线，丰富产品大纲，可以灵活应对客户的各种需求，进一步提高市场份额。事实上，从POSCO集团角度来看，在天然石墨方面很难确保竞争力。为了解决这一难题，大力发展人造石墨技术也是势在必行。POSCO化学公司旗下的子公司PMCTECH回收POSCO钢铁生产的炼焦副产物煤焦油，制备针状焦炭(图8和表8)，而POSCO化学公司则利用针状焦炭制造人造石墨，制备流程见图9。其中，针状焦是将煤焦油蒸馏、除杂、热处理后制成的焦炭，为细长的针状晶体结构，具有优异的耐久性和高温低热膨胀的特点，可有效延长电池的使用寿命，由此提高电池的附加值[10]。目前全球仅有6家企业能充分利用这项技术，有助于提升韩国碳素材料产业的竞争力。

各地旅游产品出现同质化现象，各类旅游产品竞争激烈，特色化、差异化的经营策略是持久竞争力的重要保证，在日间旅游项目日益饱和的情况下，夜间旅游开发实现了同类产品在不同时间段的竞争，为城市旅游开拓新的路径[7]。在经营时间和旅游项目上，合肥夜间旅游与日间旅游错位发展，不仅减少了旅游产品竞争群体，还给游客带来特殊环境氛围下的旅游体验，有利于城市旅游保持持久的竞争力。

表8 针状焦炭的理化特征

图8 针状焦炭的生产工艺流程

图9 利用针状焦炭制备人造石墨

通过与RIST和浦项科技大学(POSTECH)紧密合作，POSCO集团正在不断提升在二次电池材料研发方面的竞争优势。除了由POSCO化学公司负责材料商业化生产以外，RIST主要研究未来新型产品和制造工艺，POSTECH则研发新一代材料技术。

2019年5月，POSTECH与POSCO化学成立了“工业-学术研究中心”，在二次电池材料、碳素材料和化学材料等三个领域开展联合研究，从而加强产学合作。该中心还设立了奖学金和派遣计划，致力于培养各个领域的专业人员。双方合作的第一阶段将持续到2024年5月。主要任务包括开发高性能负极和正极材料以及新型优质活性碳材料。2019年6月二次电池材料研究中心正式成立，目前正在开发新一代正极和负极材料，利用新工艺技术提升二次电池的成本竞争力，同时借助其独特的基础设施评估二次电池的性能，以提高电动汽车的性能。此外，POSCO化学公司还计划开发新一代二次电池照明的全固态电池材料。作为新一代电池，全固态电池用固体电解质代替了电池正极和负极之间的液体电解质，能量密度更高，可以大幅增加电动汽车的行驶里程，同时节省充电时间。

近期，POSCO化学公司与全球电池企业和电动汽车厂商的供货协议正在大幅增加。通过对中韩、欧洲全球生产基地的投资建设，更加积极地瞄准海外市场，将有助于POSCO化学公司在全球正负极材料市场的占有率进一步提升。

继2020年12月签订正极材料供应合同之后，2021年4月POSCO化学公司正式为美国Ultium cells LLC公司提供负极材料。Ultium cells LLC公司由美国通用汽车和LG能源解决方案公司合资成立，于2022年正式启动，目前正在美国俄亥俄州建设年产规模35 GWh的一分厂，还计划在田纳西州建设一个类似规模的二分厂。POSCO化学公司将为Ultium cells LLC提供低膨胀负极材料，该产品原料采用了天然石墨，可有效防止材料结构膨胀，从而提高充电速度[11]。

作为全球惟一能自主生产正负极材料以及核心原料锂、镍、石墨的企业，计划到2030年，POSCO集团供应锂22万t、镍10万t，正极材料将产能从目前的4万t扩大到40万t，负极材料从4.4万t扩大到26万t。正极材料的全球市场占有率从目前的3%提至20%，负极材料从11%提至22%，年销售额达到23万亿韩元以上[12]。

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