في فبراير من هذا العام، نشر الموقع الإلكتروني لوزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الحالة التشغيلية لصناعة بطاريات الليثيوم أيون في الصين في عام 2022. وصل الإنتاج الوطني لبطاريات الليثيوم أيون إلى 750 جيجاوات ساعة، بزيادة أكثر من 1301 تيرابايت 3 تيرابايت مقارنة بالعام السابق. ومن بين هذه البطاريات، تجاوز إنتاج بطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة 100 جيجاوات ساعة. بلغت أحجام إنتاج مواد الدرجة الأولى في بطاريات الليثيوم، بما في ذلك مواد الكاثود ومواد الأنود والفواصل والإلكتروليتات، حوالي 1.85 مليون طن و1.4 مليون طن و13 مليار متر مربع و850 ألف طن على التوالي، وشهدت جميعها معدلات نمو تزيد عن 601 تيرابايت 3 تيرابايت مقارنة بالعام السابق. وتوسع نطاق الصناعة بشكل أكبر، حيث تجاوز إجمالي قيمة الإنتاج 1.2 تريليون يوان.
في المستقبل، مع استمرار السيارات الكهربائية، كقوة منخفضة الكربون، في اختراق السوق، ومع الانخفاض المستمر في تكلفة بطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة، ستزداد نسبة بطاريات الليثيوم المطبقة في مجال تخزين الطاقة. تتمتع صناعة بطاريات الليثيوم بآفاق تطوير واسعة، مما سيعزز النمو المستمر لسوق الإلكتروليت.
يتكون الإلكتروليت بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: أملاح الليثيوم والمذيبات العضوية والمواد المضافة. تكلفة الإلكتروليت صغيرة نسبيًا ولكنها تحدد الأداء الشامل لبطاريات الليثيوم أيون. في الوقت الحالي، 95% من مذيبات الإلكتروليت هي استرات الكربونات، بما في ذلك كربونات ثنائي الميثيل (DMC)، وكربونات ثنائي الإيثيل (DEC)، وكربونات ميثيل الإيثيلين (EMC)، وكربونات الإيثيلين (EC)، وكربونات البروبيلين (PC). تمثل استرات الكربونات الخطية ما يقرب من 60% من كتلة المذيب، وتنقسم بشكل أساسي إلى كربونات ثنائي ميثيل الكربون (DMC)، وكربونات ثنائي إيثيل الكربون (DEC)، وكربونات إيثيل الميثيل (EMC). تختلف نسب هذه المذيبات بشكل كبير في أنواع مختلفة من البطاريات. بشكل عام، يكون لكربونات الميثيل الإيثيلي (EMC) نسبة أعلى في البطاريات الثلاثية، بينما يكون لكربونات الميثيل الديميثيليوم (DMC) نسبة أعلى في بطاريات فوسفات حديد الليثيوم.
سلسلة صناعة كربونات الدرجة الإلكترونية ومسار العملية
مسار عملية كربونات إيثيل الإيثيل/بروبيل أكريليت الكربونات
طريقة إضافة الإيبوكسي إيثيل/بروبيل الإيبوكسي وثاني أكسيد الكربون - تتضمن عملية التفاعل هذه استخدام ثاني أكسيد الكربون.
مع تنفيذ استراتيجية “CCUS” في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره لإنتاج الكربونات نهجًا جديدًا للتطوير، خاصة في تطبيق بطاريات الليثيوم أيون.
يكون تفاعل تحضير كربونات إيثيل/بروبيل أكريليت الإيثيل/بروبيل أكريليت من خلال تفاعل إضافة الإيبوكسي إيثيل/بروبيل وثاني أكسيد الكربون طاردًا للحرارة ويؤدي إلى تقليل الحجم. من من منظور التوازن الكيميائي، تكون ظروف درجة الحرارة المنخفضة والضغط العالي مواتية لتقدم التفاعل. يعد اختيار العامل الحفاز المناسب أمرًا حاسمًا لنجاح تنفيذ التفاعل.
يتكون نظام هذا التفاعل بشكل رئيسي من أنظمة حفازة متجانسة وأنظمة حفازة غير متجانسة. وفي الوقت الحالي، تم تطوير ثلاثة أجيال من التقنيات الحفازة في طرق إنتاج كربونات الإيثيل/بروبيل أكريليت المحلية. ومع ذلك، وبدون استثناء، تستخدم جميعها محفزات متجانسة ذات عتبة تقنية منخفضة. يستخدم معظم المصنعين المحليين الجيل الأول من المحفزات، بينما يستخدم عدد قليل من المصنعين المحليين والأجانب في المقام الأول الجيل الثاني والثالث من المحفزات. وتعد جودة المنتجات المحلية من حيث اللون ومحتوى الشوائب أقل بكثير من جودة المنتجات المنتجة باستخدام محفزات الجيل الثاني والثالث. لا يُدخل الجيل الرابع من المحفزات غير المتجانسة المطورة حديثًا مكونات المحفز في المنتج أثناء التفاعل، مما يلغي الحاجة إلى فصل المحفز ويبسط عملية الفصل بين المحفز المتجانس ومنتج التفاعل.
وعلاوة على ذلك، يتم تعزيز الجيل الرابع من المحفز بمواد نانوية، مما يؤدي إلى زيادة الثبات الحراري (درجة حرارة التحلل) بأكثر من 15 درجة مئوية وتورم كيميائي أقل من 5% مقارنةً براتنجات التبادل الأيوني التجارية. ومع ذلك، لا يزال تقييم تعطيل المحفز يمثل تحديًا، وفي الوقت الحالي، لا يستخدم هذا المحفز سوى مصنع واحد فقط في الصين، في حين أن الغالبية العظمى من الشركات المصنعة لا تزال تختار المحفزات المتجانسة.
مسار معالجة ثنائي ميثيل الكربونات (DMC)
تعد طريقة تبادل الإستر هي العملية السائدة في صناعة مركبات الميثيل متعدد الكلور DMC الحالية، حيث تمثل القدرة المجمعة لأجهزة التخليق بطريقة تبادل الإستر أكثر من 871 تيرابايت 3 تيرابايت من إجمالي قدرة إنتاج مركبات الميثيل متعدد الكلور DMC. تتمتع هذه العملية بسلامة إنتاج عالية وإنتاجية عالية ومستوى عالٍ من التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمرفق الإنتاج المشترك إنتاج أربعة أنواع على الأقل من مذيبات الكربونات، مما يضيف قيمة أعلى. طريقة تبادل الإستر هي مسار العملية السائدة في الصين ويمكن تقسيمها إلى مسارين: مسار أكسيد البروبيلين ومسار أكسيد الإيثيلين.
مسار أكسيد البروبيلين:
وهذه عملية جديدة تجمع بين أكسيد البروبيلين (PO) وثاني أكسيد الكربون (CO2) والميثانول (ME) لإنتاج كربونات ثنائي ميثيل (DMC) وبروبيلين جلايكول (PG). يُجرى التفاعل على خطوتين: التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون وأكسيد البروبيلين لتكوين كربونات البروبيلين، يليه تفاعل تبادل الإستر بين كربونات البروبيلين والميثانول لإنتاج ثنائي ميثيل الكربونات والبروبيلين جلايكول.
تنطوي الخطوة الأولى على تفاعل أكسيد البروبيلين وثاني أكسيد الكربون تحت التأثير الحفاز، مما يؤدي إلى تكوين كربونات البروبيلين. تكون معادلة التفاعل كما يلي:
PO + CO2 → PC
تتضمن الخطوة الثانية التفاعل بين كربونات البروبيلين والميثانول لإنتاج ثنائي ميثيل الكربونات والبروبيلين جلايكول. وتكون معادلة التفاعل كما يلي:
جهاز كمبيوتر شخصي + أنا → دمتك + زئبق
هذا تخليق كربونات الإيثيلين عملية ناضجة نسبيًا في الصين وهي حاليًا مسار عملية الإنتاج الرئيسي لبطاريات DMC من الدرجة الأولى.
طريق أكسيد الإيثيلين:
هذه عملية جديدة طورتها شركة تكساكو في الولايات المتحدة الأمريكية تجمع بين أكسيد الإيثيلين وثاني أكسيد الكربون والميثانول لإنتاج كربونات ثنائي الميثيلين (DMC) وجلايكول الإيثيلين (EG). ويجري التفاعل في خطوتين: التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون وأكسيد الإيثيلين لتكوين كربونات الإيثيلين، يليه تفاعل تبادل الإستر بين كربونات الإيثيلين والميثانول لإنتاج كربونات ثنائي ميثيل الإيثيلين وجلايكول الإيثيلين.
وتتميز طريقة تبادل الإستر لإنتاج كربونات ثنائي الميثيل بفوائد اقتصادية واجتماعية جيدة، حيث إنها تعمل في ظروف تفاعل معتدلة وتتطلب استثمارًا صغيرًا نسبيًا في المعدات. وعلاوة على ذلك، يتمتع المنتج الثانوي، وهو جلايكول الإيثيلين (EG)، باستقرار أفضل في السوق مقارنةً بالبروبيلين جلايكول (PG) في طريقة PO.
فيما يلي معادلة التفاعل لطريقة تبادل إستر EO لإنتاج ثنائي ميثيل الكربونات:
(ch2)2o + co2 → (ch2o)2co
(ch2o)2co + ch3oh → (ch3o)2co + ch2ohch2oh
يمكن لهذه العملية استخدام محفزات مدعومة غير متجانسة، مما يحل تمامًا التحدي المتمثل في فصل المحفزات المتجانسة والصوديوم الميثانول في عملية تبادل الإستر.
مسار معالجة كربونات الميثيل الإيثيلي (EMC)
وفي الوقت الراهن، تُستخدم عملية تبادل الإستر باستخدام DMC والإيثانول بشكل شائع في الصين. وتتوفر المواد الخام لتبادل إستر الإيثانول والإيثانول بسهولة ويمكن استخدام الميثانول المنتج الثانوي كمادة خام لإنتاج الميثانول المدمج. وتعد هذه العملية مناسبة بشكل خاص لمصنعي DMC لإنتاج EMC. وتتميز هذه العملية بمزايا انخفاض السمية في المواد الخام والمنتجات الوسيطة، وعدم وجود “ثلاث نفايات” متولدة أثناء التفاعل، والاستثمار الصغير في المعدات، والعملية البسيطة، ونقاء المنتج العالي، وعملية الإنتاج المختصرة، وخط الإنتاج الممتد، والتكلفة المنخفضة.
يمكن تمثيل تفاعل تبادل DMC وإيثانول استر الإيثانول على النحو التالي:
ch3ocooch3 + c2h5oh → ch3oh + c2h5ocooc2h + ch3ocooc2h5 + ch3ocooc2h5
ويُعد تفاعل تبادل DMC وإيثانول الإستر لتخليق EMC تفاعلًا انعكاسيًا، وثابت الاتزان الخاص به أكبر مقارنةً بتفاعل تبادل DMC وإستر DEC لتخليق EMC. يستخدم التفاعل كربونات الفلزات القلوية أو أملاح الفلزات القلوية العضوية كمحفزات. عندما تكون كمية DMC مناسبة، يتم إنتاج EMC بشكل أساسي. وعندما تكون هناك كمية زائدة من الإيثانول، يتفاعل الإيثانول مع EMC لإنتاج DEC.
مزايا تقنية معالجة المنحل بالكهرباء DODGEN
ترقية المحفز: يُستخدم محفز متجانس من الجيل الثالث في وحدة EC، بينما تُستخدم المحفزات غير المتجانسة في وحدة DMC/EMC.
الاستخدام الشامل للحرارة: تعمل تقنية تصحيح المضخة الحرارية على توفير البخار؛ الاستفادة الشاملة من درجات الحرارة المنخفضة الحرارة.
ترقية جودة المنتج: تمت ترقية كل من EC/DMC/EMC/EMC/DEC إلى معايير جودة المنتج من فئة البطاريات؛ ويفي المنتج الثانوي من جلايكول الإيثيلين بمعايير جودة المنتج من فئة البوليستر.
