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提高资源利用效率可以大幅改善中国锂电池供应链的资源安全问题

时间：2023-01-09 来源：浏览：

提高资源利用效率可以大幅改善中国锂电池供应链的资源安全问题

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第一作者：孙鑫

通讯作者：郝瀚，耿涌

通讯单位：清华大学，上海交通大学

【研究简介】

随着锂电池消费的持续增长，锂电池供应链中的各类不可持续的问题与关键材料供应的稳定性之间的矛盾日益突出。从2021年9月开始的暴涨10倍的锂价就是这种冲突的有力证据。由于缺乏高质量的国内本土资源储量和配套产能以及对下游商品的大量加工和出口需求，中国长期以来一直高度依赖关键材料（锂、钴、镍等）的进口。飙升的锂价极大地影响了中国电池产业链的稳定运作。为避免这种原材料价格危机再次发生，需要建立一个高弹性可持续的供需体系。实现这一目的需要对锂电池全产业链的材料代谢机理进行深入研究，从而发现其中亟需解决的薄弱点。

本研究采用了完全自下而上的物质流分析方法，基于各类含锂商品（包括矿物、化学品、锂离子电池、电动汽车等）的物理和化学属性，计算得到各类商品中的锂材料含量。然后对2015年至2021年中国锂的物质流量和存量进行追溯，研究边界涵盖锂的生产、消费、国际贸易、库存变化、处置和回收等各物质转化环节。研究进一步分析了锂元素生命周期中各个加工过程中的库存和损失问题。通过对中国锂物质代谢进行透视，本研究得到一个重要发现：从2015年到2021年，有103千吨的锂在加工过程中被转化为库存或损耗，而没有被有效地利用。通过优化库存管理和加工效率、开发非电池应用中锂的替代品、以及改善锂电池的回收，中国可以在维持现有本土锂矿产量不变的前提下将锂资源净进口依赖度从86%减少到16% 。我们的研究表明，提高资源利用效率具有极大的改善中国锂电池供应链的资源安全问题的潜力。

【研究结果】

图1 2015年、2018年和2021年中国的锂流量和库存

从2015年到2021年，由于电动车行业的快速发展，中国的锂物质流量大幅增加。与2015年相比，2021年进入精炼阶段的总物质流量增加了7倍，达到100千吨锂金属当量。这一增长是由锂电产品市场的发展推动的，主要是电动车市场。相应地，碳酸锂、氢氧化锂、锂电池正极材料和电解液的国内和国际贸易流量都有显著增长。而流向非电池类产品如陶瓷和玻璃等中的锂物质流量则几乎没有变化。

而另一方面，虽然绝对体量增长迅速，但是中国的锂物质流结构几乎没有变化。中国拥有全球最完善的本土锂电池供应链，具备各类含锂商品的生产能力，并且中国占据全球60%的锂化学品产能和70%的锂电池产能。但是，中国本土的矿产供应和下游商品的生产能力之间存在着明显的不匹配现象。中国是世界第四大锂储量拥有国，其储量占世界储量的7%。而中国80%的锂资源储量位于青海和西藏的卤水资源中。当地恶劣的地理环境和低矿物品级（高镁锂比等原因所导致）使其开采成本较高。现阶段中国本土锂供应的60%仍然来自于锂辉石矿。虽然在2015-2021年期间国内锂资源矿产供应也有所增加，但中国对矿产的进口依赖度仍保持在75%到88%的高风险水平。进口的锂资源绝大部分是来自澳大利亚的锂矿。

中国如此大体量的含锂商品加工能力不仅是为了满足国内对锂产品的需求，同时也是通过出口满足国外的需求。从2015年到2021年，中国累计有55%的锂上游原料供给进入了出口商品市场，其余的则进入了中国的国内消费领域。累计出口需求在总需求中所占份额最大的商品是笔记本电脑（64%）、手机（62%）、其他电子产品（54%）、氢氧化锂（53%）和钴酸锂（46%）。这些商品的制造一直是以出口为导向。而其他含锂商品需求中的出口需求占比都小于25%，也就是说其他商品的生产是由国内需求驱动的。中国进入最终使用阶段的锂物质流量从2015年的14千吨增加到2021年的35千吨，使中国本土的锂社会存量在2021年达到195千吨。

图2 中国各级含锂商品生产结构

从商品类型来看，氢氧化锂的生产经历了最快的增长，年增长率为55%。碳酸锂在2020年之前一直占据着基础化学品生产的最大份额，但在2021年被氢氧化锂所超越。2021年，氢氧化锂产量在基础化学品总产量中的份额跃升至50%，而碳酸锂的份额从52%减少到45%。氢氧化锂产量的快速增长主要是由于高镍三元正极材料的普及，这种材料具有最高的能量密度并且只能由氢氧化锂生产。

锂化学衍生品的产量从2015年的21千吨增加到2021年的77千吨，年增长率为24%。三元材料生产中的累计锂流量最大，占化学衍生品总产量的34%。从2015年到2020年，三元材料的产量增长最快，年增长率为44%。然而从2020年到2021年，磷酸铁锂的产量增加了230%，达到20千吨，远远超过了三元材料生产的增长率（110%）。

应用于初级产品生产的锂从17千吨增加到53千吨，这都来自于LIB的增量生产。2015年，产量份额最大的前3种LIB产品是：手机（36%），纯电动汽车（25%），以及笔记本电脑（23%）。2021年，纯电动汽车的产量在锂电池产品总产量中的份额增加到62%。固定式储能设备占第二大份额，为13%，手机和笔记本电脑的份额分别减少到7%和8%。

图3 中国含锂商品进出口结构

进口商品中的锂流量经历了波动性增长，从2015年的14千吨增加到2018年的64千吨，然后下降到2020年的57千吨，并在2021年再次跃升到79千吨。这一趋势由锂矿物的进口变化所主导，锂矿一直占据着最大的进口流量（2021年为56千吨）。2021年，碳酸锂和三元材料的进口是第二和第三大，分别为15千吨和5千吨。三元材料的进口量增长最快，年增长率为120%。

中国的锂出口流量稳定增长，从2015年的11千吨增长到2021年的48千吨，但始终低于进口流量。2015年，钴酸锂、手机和氢氧化锂的出口占总出口流量的最大份额，分别为23%、15%和14%。2021年，在出口流量中占最大份额的前3种商品则变为了氢氧化锂（44%）、锂电池（24%）和三元材料（10%）。

图4 2015年至2021年中国锂电供需平衡图

基于对锂物质流图的整理和提炼，我们构建了中国的锂供需平衡图表。在供应方面，除2015年以外，净进口一直是最大的供给来源。从2015年到2021年，中国的锂资源净进口依赖度（定义为进出口量的差值占总供应量的份额）在27%到86%之间，平均净进口依赖度为66%。这种长期高度依赖进口的供应结构是对国家资源供应安全的巨大威胁。在需求方面，相当一部分生产出来的锂没有被有效地用于服务终端市场的需求，而是转化为了库存或者在加工阶段被浪费掉。在2015年和2016年，由于当年电动车市场的快速增长，锂的供需平衡处于紧张状态，所以库存作为供给投入的。2017年以来，伴随着电动车市场的稳定增长，中国的锂电池下游产业链一直处于供过于求的状态。流入库存和在加工环节中损失的锂在总需求中的比例一度达到62%（2018年），然后逐渐下降到2021年的28%。从2015年到2021年，累计流入库存和损失的锂达到103千吨。作为对比，在同一时间段中国的累计本土采矿产量只有56千吨。也就是说，中国在过去的七年中有两倍于本土锂矿产量的锂资源被浪费掉了。

图5 四类含锂商品的年库存变化量以及利用效率

从商品类型来看，被浪费的含锂商品大部分是锂电池组件（正极材料和电解液）和基础化学品（碳酸锂、氢氧化锂和氯化锂），二者分别占累计锂资源浪费的63%和27%。考虑到不同商品的市场规模有所区别，我们评估了各种商品的利用效率以进行商品间的横向比较。这里，利用效率被定义为各加工阶段的下游商品的锂流量与相应上游原料的表观消费量中的锂流量的比值。研究结果表明，矿物的利用效率在2017年和2018年曾经是最低的，分别为57%和65%。在其他年份，矿物的供应和需求处于紧平衡状态，利用效率达到100%，即所有当年生产出来的锂矿物都流入了后续加工环节。基础化学品和锂电池的利用效率一直保持在一个相对稳定的状态，在大多数情况下都在80%以上。而锂电池正极材料的利用效率一直处于严重不良的状态，保持在60%-80%之间，即平均每年生产的正极材料有30%是过剩的。这表明中国的锂离子正极材料行业长期存在着严重的产能过剩和加工效率低下的问题。导致产能过剩问题的原因可能是各供应商之间的恶性产能竞赛，盲目地追求产能扩张速度，以及较低的行业准入门槛，导致生产了许多低质量的产品不能被市场消化。解决这些问题需要后续深入分析底层的影响因素和制定相应的治理政策。

提高商品利用效率可以帮助减少锂资源的消耗，避免因高库存造成的需求扭曲而导致的市场波动。更重要的是，它可以通过避免非理性的下游需求而降低进口供给的需求。经过我们的测算，如果通过改善加工和优化库存管理使所有商品的利用效率达到100%，那么在假设其他供应来源不变的情况下，中国锂资源的净进口依赖度可以从86%降低到63%。

另一方面，在非锂电池产品中，锂可以被其他元素如钙、铝、钠等替代而不对产品性能产生显著影响。如果在提高商品利用效率的同时大力发展非电池应用中的锂材料替代品，中国的锂供应的净进口依赖度可以降低到44%。随着电动汽车等清洁能源产品的普及，锂电池在国民经济体系中的地位将越来越重要。因此，应该做出更多的研究努力来开发创新技术，在非锂电池应用中使用其他的非关键金属材料来替代锂材料。

图6 2015年至2021年中国的锂回收情况

循环利用是提高供应链弹性、节约资源和减少材料加工对环境的负面影响的一个重要途径。近年来，锂离子电池的回收已经得到了政府、产业界和学术界的全球关注。对锂电池回收技术研发的持续投入，以及法规的逐步完善，使锂电池回收行业已经取得了巨大的进步，特别是在中国。由于中国的锂电池回收成本是世界上最低的，中国的商业锂电池回收规模一直在飞速发展，从2015年到2021年的年增长率为43%。2021年，有4千吨锂当量的锂电池被收集和回收利用，占锂电池总报废品流量的63%。

然而，我们的研究结果表明，即使每年有大量的锂电池回收，但是针对电池中的锂资源的回收仍然处于初期阶段。锂资源的回收率远远低于锂电池的回收率。这是因为回收公司无法从锂的回收中获得利润。锂电池中锂的单价和材料含量远低于其他的贵金属，如钴和镍。此外，回收锂的过程比回收其他有价金属更复杂，只能通过湿法冶金技术实现，而不能通过火法冶金技术实现，这进一步增加了成本。这些原因导致2020年前锂资源的回收率接近为零。直到自2021年下半年起，锂价的暴涨刺激了商业化的锂回收活动，导致当年的锂回收量达到0.9千吨，锂资源的回收率达到13%。

不过应该注意的是，锂资源回收量的增长是由锂价格激增10倍所引起的，这种情况并不具有可持续性。未来锂原料的产能将逐渐增长，锂价有望下降到暴涨前的水平。因此，如果锂资源回收行业想要长期运营，这些公司需要在回收技术方面进行更多的投资，进而降低锂回收的成本。在这方面可能需要政府提供财政补贴来帮助孵化低成本的锂电池中回收锂的技术，以便更多的投资者参与到这种回收工作中。

图7 三种战略对中国锂净进口依赖度的潜在影响

在商品利用效率达到100%和非电池应用中的锂被完全替代的基础上，如果所有报废的锂离子电池中的锂资源都能有效地回收利用，在本土锂矿供应不变的情况下，中国的锂净进口依赖度可以从86%降低到16%，接近实现锂供应的完全自给自足。加强国内锂资源储量的开采利用一直被视为是降低中国进口风险的主要战略。然而，由于矿产项目的勘探和开发需要3-8年的准备时间，所以增加国内供应的战略在短期内不会有明显效果，而且其还将面临采矿成本的不确定性。我们的结果表明，从短期效益来看，提高锂电池产业链的资源利用效率比提高本土锂矿产量更值得关注。

Sun, X.; Hao, H.; Geng, Y.; Liu, Z.; Zhao, F., Exploring the potential for improving material utilization efficiency to secure lithium supply for China’s battery supply chain. Fundamental Research 2022. DOI:10.1016/j.fmre.2022.12.008

作者信息

第一作者：孙鑫，清华大学车辆与运载学院2018级直博生, 哈佛大学肯尼迪政府学院贝尔弗科学与国际事务中心访问学者。主要研究内容包括开展锂、钴、锰等关键储能材料的全球物质流分析，进一步开发了多类评价指标对关键金属资源产业链内的潜在供应风险进行了评估，服务于我国国家资源安全战略及政策的制定。在Joule、Environmental Science & Technology、iScience领域内顶级SCI期刊上共参与发表了二十余篇论文。研究成果获得IPCC第六次评估报告、Nature、欧盟委员会、英国地质调查局、澳大利亚工业部等重要期刊和机构的引用达671次，h指数13，ResearchGate阅读量12500余次。曾获得钱易环境奖特等奖学金、全球变化未来学者奖、清华大学研究生综合一等奖学金、中日友好NSK机械工学优秀论文奖、世界大学气候变化联盟研究生论坛最佳报告奖、全国大学生能源管理学术大赛一等奖与最佳能源建模奖等奖项。入选2020年中国科协优秀中外青年交流计划。受邀担任多个SCI期刊审稿人，并获评为Resources Conservation & Recycling期刊2020年度优秀审稿人

通讯作者：郝瀚，清华大学车辆与运载学院副教授、博士生导师，主要从事可持续交通方面的研究。担任国际学术期刊Automotive Innovation副主编，Transp. Res. D: Transp. Environ.、Circular Economy编委。在Joule、Nature Sustainability、One Earth、Nature Communications等期刊发表SCI/SSCI论文97篇，入选Elsevier中国高被引学者（2021、2022），担任8部学术专著及报告共同执笔人。获得国家优秀青年科学基金资助、省部级科研奖励3项、教学奖励1项。

通讯作者：耿涌，上海交通大学环境学院院长及特聘教授，中国科学院沈阳应用生态研究所兼职研究员，博士生导师。2008年11月入选中国科学院“引进国外杰出人才”（百人计划），2009年入选辽宁省百千万人才工程百人层次，2013年国家杰出青年基金获得者，2014年中科院优秀百人计划结题者。目前兼职担任联合国大学高等研究所客座研究员，联合国区域发展中心废物管理专家，政府间季候变化委员会（IPCC）第五次评估报告主要作者，科技部国家可持续发展实验区专家及沈阳市环境建设样板城项目首席专家等。主要从事循环经济和产业生态学研究，担任Journal of Comparative Asian Development和Journal of the Philippine Institute of Industrial Engineers编委、European Journal of Operational Research客座编辑。

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