——基于電動汽車的視角

中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 面對日益嚴(yán)峻的氣候變化威脅，世界各國正在積極推動能源低碳轉(zhuǎn)型。電動汽車作為能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)，近年來經(jīng)歷了高速發(fā)展，全球電動汽車銷量已經(jīng)從10年前的幾千輛增長到2022年的超過1 000萬輛。根據(jù)國際能源署（IEA）的預(yù)測，到2030年，全球電動汽車銷量將超過4 000萬輛。鋰（Li）、鈷（Co）、鎳（Ni）作為電動汽車電池的關(guān)鍵原材料，在電動汽車需求增長的驅(qū)動下，其需求也將迎來快速增長。電動汽車和電池儲能已經(jīng)取代消費電子產(chǎn)品成為最大的鋰需求部門，并預(yù)計將在2040年取代不銹鋼成為最大的鎳需求部門。

鋰、鈷、鎳3種金屬需求的激增引發(fā)了全球?qū)ζ滟Y源安全的擔(dān)憂，這可能成為能源安全轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵限制因素。2016年，國土資源部發(fā)布《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020年）》，將鋰、鈷、鎳等24種資源品種列為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)；1939年起，美國開始針對戰(zhàn)略性原材料出臺法案，2018年美國內(nèi)政部在關(guān)鍵礦產(chǎn)范圍中納入鋰和鈷，2022年進(jìn)一步納入鎳金屬；2008年歐盟開始發(fā)布《歐盟關(guān)鍵原材料》清單，2020年納入鋰、鈷，2023年納入鎳。鋰、鈷、鎳的資源可得性已經(jīng)引發(fā)了各國的高度重視。在此背景下，本研究旨在研判3種金屬面臨的資源安全挑戰(zhàn)，并為我國保障鋰、鈷、鎳供應(yīng)鏈安全提供決策依據(jù)和政策建議。

電動汽車產(chǎn)業(yè)驅(qū)動鋰、鈷、鎳需求迅速擴(kuò)張

本研究參考國際能源署的情景設(shè)定，選取了既定政策情景（STEPS）和凈零排放情景（NZE）2種氣候情景。既定政策情景是在對當(dāng)前政策前景進(jìn)行詳細(xì)回顧的基礎(chǔ)上，提供能源系統(tǒng)發(fā)展的主要方向；凈零排放情景為全球能源部門到2050年實現(xiàn)二氧化碳凈零排放指明了道路。

鋰、鈷、鎳廣泛應(yīng)用于電動汽車電池中，目前主流的電動汽車電池技術(shù)主要包括三元鋰電池（NCX）和磷酸鐵鋰電池（LFP），其中鈷和鎳主要應(yīng)用于三元鋰電池中，鋰既應(yīng)用于三元鋰電池，又應(yīng)用于磷酸鐵鋰電池中。三元鋰電池進(jìn)一步細(xì)分為鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA）和鎳鈷錳酸鋰電池（NMC），由于鈷資源的稀缺性和高價格，高鎳低鈷技術(shù)正在成為主流演變方向。例如，從NMC532逐漸演替為NMC811，以降低對原材料鈷的需求。此外，一些新型電池化學(xué)技術(shù)正在受到廣泛關(guān)注，如固態(tài)鋰電池（鋰硫電池Li-Sulphur、鋰空氣電池Li-Air等）。本研究考慮到未來電動汽車電池技術(shù)演變的不確定性，設(shè)置了3種電池化學(xué)技術(shù)演變情景，分別是三元鋰電池主導(dǎo)情景、磷酸鐵鋰電池主導(dǎo)情景和新型電池技術(shù)涌現(xiàn)情景，調(diào)查了3種情景下的電池化學(xué)技術(shù)市場份額（圖1），以及鋰、鈷、鎳在不同電池化學(xué)技術(shù)中的材料強(qiáng)度（表1）。

本研究在動態(tài)物質(zhì)流分析方法的基礎(chǔ)上，考慮了電動汽車電池的早期故障、梯次利用和回收利用等環(huán)節(jié)，構(gòu)建模型預(yù)測從2020—2050年我國及全球電動汽車對鋰、鈷、鎳的需求和次生供應(yīng)演變趨勢。在本研究所構(gòu)建的模型中，電動汽車電池對鋰、鈷、鎳的需求來源有2種：一部分來自于出廠電池需求，一部分來自于保修期內(nèi)故障電池的替換需求。電動汽車電池的退役來源有3種：一部分來自于早期故障被替換的電池，一部分來自于正常退役的電池，另一部分則來自于梯次利用后退役的電池。

凈零排放氣候目標(biāo)驅(qū)動全球鋰、鈷、鎳需求快速增長

在凈零排放氣候目標(biāo)的驅(qū)動下，全球電動汽車電池對鋰、鈷、鎳的需求將快速增長。本研究結(jié)果顯示，2020年，全球電動汽車對鋰、鈷、鎳的需求分別為1.8萬噸、2.0萬噸、8.1萬噸。到2050年，在既定政策情景下，全球電動汽車電池對鋰、鈷、鎳的需求將快速上漲到45萬—75萬噸、21萬—49萬噸、180萬—380萬噸；在凈零排放情景下，全球電動汽車電池對鋰、鈷、鎳的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，分別達(dá)到74萬—124萬噸、35萬—82萬噸、299萬—631萬噸（圖2）。從2025—2050年的累積需求來看，全球要實現(xiàn)凈零排放的氣候目標(biāo)，對鋰、鈷、鎳需求相比于既定政策目標(biāo)約提高2/3左右。

在不同的電池技術(shù)演變路徑下，鋰、鈷、鎳的需求呈現(xiàn)巨大的差異。在凈零排放情景下，2025—2050年間全球電動汽車電池在三元鋰主導(dǎo)的技術(shù)路線下對鋰的需求最高，累積為1 814萬噸；在新型電池涌現(xiàn)的情景下對鋰的需求最低，累積為1 392萬噸，主要是由于新型電池的鋰材料強(qiáng)度大幅降低（表1），導(dǎo)致對鋰原材料的需求下降。電動汽車電池對鎳和鈷的累積需求同樣也是在三元鋰主導(dǎo)的情景下最高，分別為9 187萬噸和1 341萬噸；而在磷酸鐵鋰主導(dǎo)的情景下最低，分別為5 625萬噸和852萬噸，這主要是由于磷酸鐵鋰電池?zé)o需鎳、鈷2種原材料，從而大大降低了對鎳和鈷的需求。

中國的鋰、鈷、鎳需求

促進(jìn)綠色發(fā)展是全人類的共同事業(yè)，中國順應(yīng)綠色發(fā)展趨勢，努力為全球綠色轉(zhuǎn)型做出更大貢獻(xiàn)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，鋰、鈷、鎳等金屬礦產(chǎn)需求預(yù)計較快增長。在既定政策情景下，2025—2050年，中國電動汽車市場對鋰、鈷、鎳的需求總量預(yù)計分別超過300萬噸、200萬噸和1 400萬噸，凈零排放情境下分別超過400萬噸、300萬噸和2 000萬噸，具體取決于其電池技術(shù)演變路徑。

估計中國對鋰、鈷、鎳的需求，除了電動汽車產(chǎn)業(yè)，還需充分考慮電池產(chǎn)業(yè)的需求。中國對鋰、鈷、鎳等關(guān)鍵原材料的需求不僅僅局限于國內(nèi)市場，還面臨著來自全球市場的廣泛需求。假設(shè)未來中國在全球電動汽車電池市場的份額能夠維持當(dāng)前水平或穩(wěn)中略降，這將使中國對鋰、鈷、鎳的需求達(dá)到本土需求的1.4倍之多，進(jìn)一步對我國鋰、鈷、鎳資源的供應(yīng)可得性提出了更高要求。

電動汽車將成為鋰、鈷、鎳需求的關(guān)鍵來源

除了電動汽車電池以外，鋰、鈷、鎳還廣泛應(yīng)用于其他的領(lǐng)域。鋰用于儲能、消費電子、玻璃、陶瓷等的制造；鎳用于不銹鋼、電鍍、合金及鑄造等部門；鈷用于耐熱合金、硬質(zhì)合金、防腐合金、磁性合金等制造。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國除電動汽車以外的其他行業(yè)對鋰、鈷、鎳的需求量約為3.5萬噸、3.4萬噸和131.0萬噸，全球除電動汽車以外的其他行業(yè)對鋰、鈷、鎳的需求則分別為5.1萬噸、11.6萬噸和228.5萬噸。假設(shè)其他行業(yè)對鋰、鈷、鎳的需求增長與全球國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增速預(yù)期一致，年復(fù)合增長率約為3%。到2050年，全球其他行業(yè)對鋰、鈷、鎳的需求量分別為12萬噸、28萬噸和555萬噸。由此推算，2020年全球電動汽車電池對鋰、鈷、鎳的需求量分別占需求總量的28%、16%和4%，到2050年，這一比例將上升到86%—91%、55%—74%和35%—53%。這意味著，電動汽車電池將成為全球鋰、鎳、鈷需求的關(guān)鍵來源。

鋰、鈷、鎳資源安全挑戰(zhàn)

鋰、鈷、鎳原生供應(yīng)情況

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，2019—2023年，全球鋰、鈷、鎳的產(chǎn)量分別從8.6萬噸、14.4萬噸、261萬噸，上升到18.0萬噸、23.0萬噸、360萬噸，年平均復(fù)合增長率高達(dá)16%、10%、7%（表2），這一增長勢頭與近年來電動汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明，2020—2050年，全球電動汽車產(chǎn)業(yè)在凈零排放情景下對鋰、鈷、鎳需求的年復(fù)合增長率分別高達(dá)13%—15%、10%—13%、13%—16%，這意味著全球鋰、鈷、鎳的供應(yīng)增長壓力仍將持續(xù)。

全球鋰、鈷、鎳需求存在較快增長趨勢，亟需加大資源勘探以滿足日益增長的金屬需求。考慮到電動汽車電池生產(chǎn)過程中不可避免的原材料損耗，全球?qū)︿嚒⑩挕㈡囋牧系男枨髮M(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)美國阿貢國家實驗室的數(shù)據(jù)，電動汽車電池生產(chǎn)過程中陰極材料（含鋰、鈷、鎳）的產(chǎn)率約為92.2%，據(jù)此推算，全球電動汽車產(chǎn)業(yè)對鋰、鈷、鎳的原材料需求分別為1 509萬—1 967萬噸、924萬—1 454萬噸、6 101萬—9 964萬噸。若考慮其他行業(yè)對鋰、鈷、鎳的需求，全球從2025—2050年間對鋰、鈷、鎳的累積需求量將高達(dá)1 736萬—2 194萬噸、1 440萬—1 971萬噸、16 313萬—20 177萬噸。

鋰、鈷、鎳這3種金屬礦產(chǎn)在地理分布上具有較高的供應(yīng)集中度。目前全球大約有80%的鋰供應(yīng)來自澳大利亞和智利，60%的鎳來自于印度尼西亞、菲律賓、俄羅斯和加拿大，80%以上的鈷來自于剛果民主共和國，且這一供應(yīng)格局在短期內(nèi)難以有明顯變化（圖3）。在全球鋰、鈷、鎳供應(yīng)日益緊張的背景下，高度集中的地理分布將進(jìn)一步加劇對這3種金屬供應(yīng)鏈韌性的挑戰(zhàn)。因此，我國未來在鋰、鈷、鎳的供應(yīng)上，將不可避免地面臨來自全球市場的競爭，這也對我國鋰、鈷、鎳資源的供應(yīng)安全提出了新的挑戰(zhàn)。同時也需看到，當(dāng)前全球探明鋰、鈷、鎳儲量分別為2 100萬噸、1 100萬噸、超13 000 萬噸（表2），未來隨著礦產(chǎn)開采技術(shù)的進(jìn)步，全球鋰、鈷、鎳儲量可能進(jìn)一步增長，高度集中的地理分布也可能出現(xiàn)變化，我們需要高度關(guān)注鋰、鈷、鎳礦產(chǎn)開采技術(shù)和地理分布的變化趨勢。

鋰、鈷、鎳的回收潛力在2035年后將逐步顯現(xiàn)

本研究考慮到未來電動汽車電池回收及梯次利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對我國電動汽車電池中鋰、鈷、鎳的回收潛力進(jìn)行了評估。《歐盟電池和廢電池法規(guī)》規(guī)定到2030年，鋰電池的回收率達(dá)到70%，基于此，本研究假設(shè)我國電動汽車電池的收集率將從2020年的10%上升到2035年的90%，并在之后保持不變，電池回收的金屬提取率為95%。本研究將電動汽車電池的回收率設(shè)定在一個較高的比例，旨在探討我國電動汽車電池材料回收的最大潛力。此外，調(diào)研顯示到2030年磷酸鐵鋰電池的梯次利用比例預(yù)計達(dá)到40%及以上。磷酸鐵鋰電池的充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到3 500—5 000次，而三元鋰電池的循環(huán)次數(shù)僅在2 500次左右。考慮到三元鋰電池的循環(huán)次數(shù)更低，本研究假設(shè)我國電動汽車電池的平均梯次利用率從2020年的10%上升到2035年的30%。

研究結(jié)果表明，隨著電動汽車電池退役潮的到來，我國電動汽車電池中鋰、鈷、鎳的回收量將大幅增加，能夠滿足相當(dāng)大比例的金屬需求，這將有效地緩解這些關(guān)鍵金屬的供應(yīng)壓力。在凈零排放情景下，我國電動汽車電池中鋰、鈷、鎳3種金屬的回收量在2035年之后將逐漸形成規(guī)模，分別達(dá)到約1.4萬噸、1.5萬噸、6.0萬噸。到2050年，電動汽車電池中鋰、鈷、鎳的回收量將快速增長，分別達(dá)到12.9萬—14.5萬噸、8.6萬—11.8萬噸、45.0萬—64.5萬噸，具體取決于其技術(shù)路徑演變趨勢（圖4）。到2050年，在三元鋰主導(dǎo)的技術(shù)路徑下，我國退役電動汽車電池中的鋰、鈷、鎳分別可以滿足35%、44%、31%的金屬需求；在磷酸鐵鋰主導(dǎo)的技術(shù)路徑下，這些數(shù)值將達(dá)到35%、68%、46%；在新型電池涌現(xiàn)情景下，這些數(shù)值將達(dá)到53%、91%、41%（圖5）。相比于三元鋰主導(dǎo)的技術(shù)路徑，磷酸鐵鋰主導(dǎo)的技術(shù)路徑和新型電池涌現(xiàn)的技術(shù)路徑都呈現(xiàn)出更高的鈷和鎳的回收潛力，這是因為磷酸鐵鋰電池和新型電池都不再依賴鎳和鈷（表1），因此鎳和鈷的需求將會逐漸下降，而隨著早期裝機(jī)的三元鋰電池的退役，使得鎳、鈷的回收量與需求量之間的占比快速上升。尤其值得注意的是，在新型電池涌現(xiàn)的技術(shù)路徑下，鈷金屬的回收潛力在2050年將高達(dá)91%，這將極大程度地降低對鈷的進(jìn)口需求，從而降低鈷資源的供應(yīng)風(fēng)險。

對策建議

全面推進(jìn)鋰、鈷、鎳金屬資源的勘探和開采工作，加強(qiáng)國際合作，積極探索海外供應(yīng)潛力。制定中長期的鋰、鈷、鎳資源勘探計劃，提高我國資源儲備對風(fēng)險的抵御能力。密切關(guān)注海外礦產(chǎn)項目可能面臨的風(fēng)險，通過分散投資、加強(qiáng)合作、風(fēng)險監(jiān)測等手段增強(qiáng)對海外資產(chǎn)和權(quán)益的風(fēng)險預(yù)測、預(yù)警和預(yù)防能力。值得說明的是，鋰、鈷、鎳資源的供應(yīng)風(fēng)險不僅來自于供應(yīng)量的緊缺和供應(yīng)高度集中，還來自于自然災(zāi)害等因素引發(fā)的供應(yīng)和運(yùn)輸中斷等問題，這有待于進(jìn)一步的研究，例如制定相應(yīng)的戰(zhàn)略儲備策略等，以提高抵御突發(fā)供應(yīng)中斷等風(fēng)險的能力。

推動構(gòu)建電動汽車電池循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，制定科學(xué)可行的循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和政策激勵方案。2023年8月，歐盟頒布的《歐盟電池和廢電池法規(guī)》生效，該法規(guī)規(guī)定到2031年，電池活性材料中再生金屬元素的最低使用比例分別為：鋰6%、鎳6%、鈷16%。相較于歐盟，我國在電動汽車電池循環(huán)利用方面的規(guī)劃和實踐尚顯不足。亟需制定明確的電動汽車電池循環(huán)回收目標(biāo)，以在2035年電動汽車退役潮到來之前對我國電動汽車電池回收產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局，推動電動汽車電池產(chǎn)業(yè)加快對鋰、鈷、鎳3種關(guān)鍵金屬的循環(huán)利用。此外，還需要對電動汽車電池技術(shù)路線進(jìn)行密切監(jiān)測，以動態(tài)研判在不同技術(shù)演變趨勢下循環(huán)回收對于電動汽車電池供應(yīng)鏈安全的重要作用，并基于實際的供應(yīng)安全形式對回收工作重心進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

建立電動汽車電池廢棄物循環(huán)利用監(jiān)管體系，增強(qiáng)對電動汽車電池廢棄物回收規(guī)模的監(jiān)測和回收企業(yè)的監(jiān)管。電動汽車電池的循環(huán)回收需要依賴更加精細(xì)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和技術(shù)追蹤，亟需完善涵蓋使用、回收、再利用等各個環(huán)節(jié)的監(jiān)管體系，建立電動汽車電池廢棄物時空分布監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺，通過及時跟蹤廢舊電池數(shù)量、地點和類型，為后續(xù)回收和處理提供依據(jù)。支持企業(yè)加大力度部署電動汽車電池回收網(wǎng)絡(luò)和回收站點、處理工廠等基礎(chǔ)設(shè)施，確保廢舊電池能被有效回收和處理。加強(qiáng)電動汽車電池回收企業(yè)監(jiān)管，打擊“作坊式”電池拆解廠，保障回收過程安全環(huán)保。推動電池護(hù)照技術(shù)研發(fā)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)，加強(qiáng)電池材料成分和供應(yīng)鏈信息追蹤，實現(xiàn)對電動汽車電池廢棄物精細(xì)化監(jiān)管。

（作者：應(yīng)雄、汪壽陽，中國科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院；楊宇瑤，北京大學(xué)光華管理學(xué)院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）