En febrero de este año, el sitio web del Ministerio de Industria y Tecnología de la Información publicó el estado operativo de la industria china de baterías de iones de litio en 2022. La producción nacional de baterías de iones de litio alcanzó los 750 GWh, un aumento de más de 130% en comparación con el año anterior. Entre ellas, la producción de baterías de litio para almacenamiento de energía superó los 100 GWh. Los materiales de primer nivel de las baterías de litio, incluidos materiales catódicos, materiales anódicos, separadores y electrolitos, tuvieron volúmenes de producción de aproximadamente 1,85 millones de toneladas, 1,4 millones de toneladas, 13.000 millones de metros cuadrados y 850.000 toneladas, respectivamente, experimentando todos ellos tasas de crecimiento de más de 60% en comparación con el año anterior. La escala de la industria siguió creciendo y el valor total de la producción superó los 1,2 billones de yuanes.
En el futuro, a medida que los vehículos eléctricos, como fuerza de baja emisión de carbono, sigan penetrando en el mercado, y con el continuo descenso del coste de las baterías de litio para almacenamiento de energía, aumentará la proporción de baterías de litio aplicadas en el campo del almacenamiento de energía. La industria de las baterías de litio tiene amplias perspectivas de desarrollo, lo que promoverá el crecimiento continuo del mercado de electrolitos.
El electrolito se compone principalmente de tres partes: sales de litio, disolventes orgánicos y aditivos. El coste del electrolito es relativamente pequeño, pero determina el rendimiento global de las baterías de iones de litio. En la actualidad, 95% de los disolventes del electrolito son ésteres de carbonato, entre los que se incluyen el carbonato de dimetilo (DMC), el carbonato de dietilo (DEC), el carbonato de etilo y metilo (EMC), el carbonato de etileno (EC) y el carbonato de propileno (PC). Los ésteres carbonados lineales representan aproximadamente 60% de la masa del disolvente, divididos principalmente en dimetilcarbonato (DMC), dietilcarbonato (DEC) y etilmetilcarbonato (EMC). Las proporciones de estos disolventes varían significativamente en los distintos tipos de pilas. Por lo general, el EMC tiene una mayor proporción en las baterías ternarias, mientras que el DMC tiene una mayor proporción en las baterías de litio hierro fosfato.
Cadena industrial del carbonato de grado electrónico y ruta del proceso
Carbonato de etilo/acrilato de propilo Ruta del proceso
El método de adición de epoxi etilo/propilo y dióxido de carbono: este proceso de reacción implica el uso de dióxido de carbono.
Con la aplicación de la estrategia “CCUS” en los últimos años, la utilización de CO2 reciclado para producir carbonatos se ha convertido en un nuevo enfoque de desarrollo, especialmente en la aplicación de baterías de iones de litio.
La reacción para la preparación de acrilato de etilo/propilo carbonatado mediante la reacción de adición de epoxi etilo/propilo y dióxido de carbono es exotérmica y da lugar a una reducción de volumen. Desde la perspectiva del equilibrio químico, las condiciones de baja temperatura y alta presión son favorables para el progreso de la reacción. La selección de un catalizador adecuado es crucial para el éxito de la reacción.
El sistema para esta reacción consiste principalmente en sistemas catalíticos homogéneos y sistemas catalíticos heterogéneos. Actualmente, en los métodos domésticos de producción de carbonato de etilo/acrilato de propilo, se han desarrollado tres generaciones de tecnologías catalíticas. Sin embargo, todas sin excepción utilizan catalizadores homogéneos, que tienen un umbral técnico bajo. La mayoría de los fabricantes nacionales utilizan catalizadores de primera generación, mientras que unos pocos fabricantes nacionales y extranjeros utilizan principalmente catalizadores de segunda y tercera generación. La calidad de los productos nacionales en términos de color y contenido de impurezas es significativamente inferior a la de los productos fabricados con catalizadores de segunda y tercera generación. El catalizador heterogéneo de cuarta generación recientemente desarrollado no introduce componentes catalizadores en el producto durante la reacción, lo que elimina la necesidad de separar el catalizador y simplifica el proceso de separación entre el catalizador homogéneo y el producto de reacción.
Además, el catalizador de cuarta generación está mejorado con nanomateriales, lo que se traduce en un aumento de la estabilidad térmica (temperatura de descomposición) de más de 15 °C y un hinchamiento químico inferior a 5% en comparación con las resinas de intercambio iónico comerciales. Sin embargo, la evaluación de la desactivación del catalizador sigue siendo un reto y, en la actualidad, sólo un fabricante en China utiliza este catalizador, mientras que la gran mayoría de los fabricantes siguen optando por catalizadores homogéneos.
Ruta del proceso del carbonato de dimetilo (DMC)
El método de intercambio de ésteres es el proceso dominante en la industria actual de DMC, y la capacidad combinada de los dispositivos de síntesis del método de intercambio de ésteres representa más de 87% de la capacidad total de producción de DMC. Este proceso tiene una alta seguridad de producción, un alto rendimiento y un alto nivel de industrialización. Además, la instalación de coproducción puede producir al menos cuatro tipos de disolventes de carbonato, lo que añade un mayor valor. El método de intercambio de ésteres es la principal ruta de proceso en China y puede dividirse en dos: la ruta del óxido de propileno y la ruta del óxido de etileno.
Vía óxido de propileno:
Se trata de un nuevo proceso que combina óxido de propileno (PO), dióxido de carbono (CO2) y metanol (ME) para producir carbonato de dimetilo (DMC) y propilenglicol (PG). La reacción se lleva a cabo en dos etapas: la reacción entre el CO2 y el óxido de propileno para formar carbonato de propileno, seguida de la reacción de intercambio de ésteres entre el carbonato de propileno y el metanol para producir carbonato de dimetilo y propilenglicol.
El primer paso consiste en la reacción del óxido de propileno y el dióxido de carbono bajo el efecto catalítico, lo que da lugar a la formación de carbonato de propileno. La ecuación de reacción es la siguiente
PO + CO2 → PC
El segundo paso consiste en la reacción entre el carbonato de propileno y el metanol para producir carbonato de dimetilo y propilenglicol. La ecuación de reacción es la siguiente
PC + ME → DMC + PG
Este síntesis de carbonato de etileno está relativamente maduro en China y es actualmente la principal vía de producción de DMC para pilas.
Ruta del óxido de etileno:
Se trata de un nuevo proceso desarrollado por Texaco en Estados Unidos que combina óxido de etileno (OE), dióxido de carbono (CO2) y metanol para producir dimetilcarbonato (DMC) y etilenglicol (EG). La reacción se lleva a cabo en dos etapas: la reacción entre el CO2 y el óxido de etileno para formar carbonato de etileno, seguida de la reacción de intercambio de ésteres entre el carbonato de etileno y el metanol para producir carbonato de dimetilo y etilenglicol.
El método de intercambio de ésteres para producir carbonato de dimetilo tiene buenas ventajas económicas y sociales, ya que funciona en condiciones de reacción suaves y requiere una inversión en equipos relativamente pequeña. Además, el subproducto, etilenglicol (EG), tiene una mayor estabilidad en el mercado en comparación con el propilenglicol (PG) del método PO.
La ecuación de reacción para el método de intercambio de ésteres EO para producir carbonato de dimetilo es la siguiente:
(CH2)2O + CO2 → (CH2O)2CO
(CH2O)2CO + CH3OH → (CH3O)2CO + CH2OHCH2OH
Este proceso puede utilizar catalizadores heterogéneos soportados, resolviendo completamente el reto de separar catalizadores homogéneos y metanol sódico en el proceso de intercambio de ésteres.
Ruta del proceso del carbonato de etilo y metilo (EMC)
Actualmente, el proceso de intercambio de ésteres que utiliza DMC y etanol se adopta comúnmente en China. Las materias primas para el intercambio de ésteres de DMC y etanol están fácilmente disponibles, y el metanol subproducto puede utilizarse como materia prima para la producción de DMC. Este proceso es especialmente adecuado para que los fabricantes de DMC produzcan EMC. El proceso tiene las ventajas de una baja toxicidad en las materias primas y los productos intermedios, no se generan “tres residuos” durante la reacción, la inversión en equipos es pequeña, el proceso es sencillo, la pureza del producto es alta, el proceso de producción es más corto, la línea de productos se amplía y el coste es reducido.
La reacción de intercambio de DMC y éster de etanol puede representarse como sigue:
CH3OCOOCH3 + C2H5OH → CH3OH + C2H5OCOOC2H5 + CH3OCOOC2H5
La reacción de intercambio de ésteres de DMC y etanol para sintetizar EMC es una reacción reversible, y su constante de equilibrio es mayor en comparación con la reacción de intercambio de ésteres de DMC y DEC para sintetizar EMC. La reacción emplea carbonatos de metales alcalinos o sales orgánicas de metales alcalinos como catalizadores. Cuando la cantidad de DMC es adecuada, se produce principalmente EMC. Cuando hay un exceso de etanol, éste reaccionará además con la EMC para producir DEC.
Ventajas de la tecnología de electrolitos DODGEN
Mejora del catalizador: El catalizador homogéneo de tercera generación se utiliza en la unidad EC, mientras que los catalizadores heterogéneos se utilizan en la unidad DMC/EMC.
Aprovechamiento integral del calor: La tecnología de rectificación de la bomba de calor ahorra vapor; aprovechamiento integral de la graduación térmica de baja temperatura.
Mejora de la calidad del producto: EC/DMC/EMC/DEC han sido mejorados para cumplir los estándares de calidad de los productos para baterías; el subproducto etilenglicol cumple los estándares de calidad de los productos para poliéster.
