袁小晶，馬 哲，李建武

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037； 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037)

0 引 言

鋰是《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016～2020年)》確立的24種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵原料。2015年以來(lái)新能源汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)鋰消費(fèi)的快速增加，消費(fèi)量由2015年的7.87萬(wàn)t(折合碳酸鋰當(dāng)量，下同)增長(zhǎng)到2018年的14.34萬(wàn)t，年均增速22.1%，占2018年全球總消費(fèi)量的51.5%，其中69%用于電池領(lǐng)域[1]。結(jié)合電池技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，鋰資源在新能源汽車動(dòng)力電池中被替代的可能性較低，因此需求量將持續(xù)增加。盡管我國(guó)鋰資源儲(chǔ)量豐富，但開發(fā)難度大、成本高，本土供應(yīng)能力較差，對(duì)外依存度高達(dá)80%[2]。因此，對(duì)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)鋰資源需求做出合理預(yù)測(cè)，將為鋰資源供應(yīng)安全政策制定提供參考和依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鋰資源需求進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)[3-6]，主要方法是將汽車總產(chǎn)量和單車消耗量簡(jiǎn)單相乘，未充分考慮電池技術(shù)的動(dòng)態(tài)發(fā)展對(duì)鋰資源需求的影響，本文將在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)我國(guó)2030年前新能源汽車產(chǎn)業(yè)鋰資源的需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 預(yù)測(cè)方法

鋰在新能源汽車中主要用于動(dòng)力電池正極材料的制備。不同類型的新能源汽車裝配的動(dòng)力電池容量差異較大，且不同類型動(dòng)力電池的單位容量對(duì)鋰資源的消耗不盡相同。動(dòng)力電池的產(chǎn)量由新能源汽車的產(chǎn)量、不同動(dòng)力電池的裝車比例及各類電池的容量決定，各類電池的容量由動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展路徑?jīng)Q定，因此本文以新能源汽車發(fā)展規(guī)劃為準(zhǔn)則預(yù)測(cè)出各類車型的年產(chǎn)量，以電池發(fā)展技術(shù)為依托預(yù)測(cè)出不同種類電池的容量及裝車比例，結(jié)合上述三者得出動(dòng)力電池的產(chǎn)量，并將電池產(chǎn)量與單位容量對(duì)鋰的需求量相乘，得到動(dòng)力電池對(duì)鋰的總需求量(圖1)。

圖1 新能源汽車對(duì)鋰需求預(yù)測(cè)方法Fig.1 Lithium demand prediction method fornew energy vehicles

動(dòng)力電池類型多樣，需要合理分析其技術(shù)發(fā)展路徑和趨勢(shì)?？紤]到未來(lái)新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的變化以及電池技術(shù)發(fā)展的不確定性，本研究將預(yù)測(cè)時(shí)間限定為2019～2030年的中短期。

綜合上述信息，本文采用下式計(jì)算。

(i=2019,2020……2030)

式中：Di為第i年新能源汽車動(dòng)力電池對(duì)鋰的需求量，t；Pij為第i年第j類車的產(chǎn)量，萬(wàn)輛；Rijk為第i年第j類車中k型電池的裝配比例；Cijk為第i年第j類車中k型電池的容量，kW·h/輛；Mjk為第j類車中k型電池單位容量對(duì)鋰的需求量，kg/kW·h。

2 需求指標(biāo)分析

2.1 各類新能源汽車年產(chǎn)量預(yù)測(cè)

根據(jù)動(dòng)力來(lái)源的不同，可將新能源汽車分為純電動(dòng)汽車、插電混動(dòng)汽車、燃料電池汽車等三個(gè)Ⅰ級(jí)類型。根據(jù)Ⅰ級(jí)車型質(zhì)量、車長(zhǎng)及功能的不同，又可細(xì)分為純電動(dòng)乘用車、純電動(dòng)客車、純電動(dòng)專用車、插電混動(dòng)乘用車、插電混動(dòng)客車等五個(gè)Ⅱ級(jí)類型。2018年國(guó)內(nèi)新能源汽車總產(chǎn)量127萬(wàn)輛[7-8]，各車型的產(chǎn)量占比如圖2所示。純電動(dòng)乘用車作為我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展主體，占比達(dá)62.34%，純電動(dòng)客車、純電動(dòng)專用車、插電混動(dòng)乘用車、插電混動(dòng)客車、氫燃料電池汽車分別占比7.32%、7.95%、21.88%、0.39%、0.12%。

圖2 2018年各類新能源汽車產(chǎn)量占比Fig.2 The proportion of new energy vehicles in 2018

圖3 2019～2030年各類新能源汽車產(chǎn)量預(yù)測(cè)Fig.3 Production forecast of new energy vehiclesin 2019-2030

根據(jù)《中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，2020年、2025年、2030年國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)量目標(biāo)分別達(dá)到200萬(wàn)輛、700萬(wàn)輛、1 500萬(wàn)輛，本文以此作為汽車年產(chǎn)總量的預(yù)測(cè)依據(jù)，但該規(guī)劃未涉及各類車型的產(chǎn)量占比，需進(jìn)一步結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，美國(guó)、德國(guó)、日本等汽車工業(yè)強(qiáng)國(guó)針對(duì)新能源汽車的發(fā)展側(cè)重非插電混動(dòng)汽車，并以純電動(dòng)和插電混動(dòng)汽車為輔助，因此為實(shí)現(xiàn)我國(guó)在汽車領(lǐng)域的“彎道超車”，未來(lái)Ⅰ級(jí)車型將以純電動(dòng)汽車為主[9]，插電混動(dòng)汽車為補(bǔ)充，燃料電池汽車為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。2018年純電動(dòng)汽車、插電混動(dòng)汽車及燃料電池汽車的產(chǎn)量分別占比總產(chǎn)量的77.61%、22.27%、0.12%，根據(jù)國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)發(fā)布的相關(guān)報(bào)告[9]及《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》[10]，本文預(yù)測(cè)到2030年，上述三者的產(chǎn)量將分別達(dá)到1 350萬(wàn)輛、50萬(wàn)輛、100萬(wàn)輛，分別占總產(chǎn)量的90%、3.3%、6.7%。

Ⅱ級(jí)車型中以乘用車為主[9]，2018年純電動(dòng)乘用車及插電混動(dòng)乘用車的產(chǎn)量分別占其所在Ⅰ級(jí)車型產(chǎn)量的80%、98%。隨著國(guó)內(nèi)物流市場(chǎng)的擴(kuò)大，以物流車為代表的純電動(dòng)專用車市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮骩11]。相比之下新能源客車的發(fā)展已趨于飽和，近幾年的年產(chǎn)量均維持在10萬(wàn)輛的水平[12-14]。綜合以上分析，預(yù)測(cè)到2030年純電動(dòng)乘用車、純電動(dòng)專用車、插電混動(dòng)乘用車的產(chǎn)量分別占其所屬Ⅰ級(jí)車型產(chǎn)量的90%、9%、98%，新能源客車穩(wěn)定在年產(chǎn)量10萬(wàn)輛的當(dāng)前水平(圖3)。

2.2 各類動(dòng)力電池相關(guān)參數(shù)預(yù)測(cè)

動(dòng)力電池可依據(jù)正極材料劃分為三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池兩類主流電池以及錳酸鋰電池等其他電池。三元鋰電池還可劃分為鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)，其中NCM電池又進(jìn)一步分為NCM523、NCM622、NCM811，三者的能量密度隨鎳含量的升高而依次增高。電池技術(shù)的演變依賴于補(bǔ)貼政策，且新能源汽車在發(fā)展過(guò)程中對(duì)電池的性能需求也會(huì)影響電池技術(shù)的趨勢(shì)變化，因此本文將二者作為預(yù)測(cè)電池容量及裝配比例的重要依據(jù)。

新能源乘用車主要裝配三元鋰電池，客車主要裝配磷酸鐵鋰電池，兩者的裝配比例逐漸升高[15-17]，預(yù)計(jì)到2030年兩者的裝配率均將達(dá)到95%。新能源物流車主要裝配三元鋰電池，因此以物流車為主的新能源專用車裝配的三元鋰電池還將隨著物流車的產(chǎn)量增長(zhǎng)而提升[18]。本文推測(cè)2030年專用車中三元鋰電池的裝配比例將達(dá)到80%。由于當(dāng)前乘用車和專用車中的錳酸鋰電池裝配比例較小，且錳酸鋰電池?zé)o法滿足新能源汽車產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，因此假定二者在2030年無(wú)裝配。

根據(jù)2018年國(guó)補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)中最高補(bǔ)貼系數(shù)所對(duì)應(yīng)的能量密度區(qū)間，目前國(guó)內(nèi)三元鋰電池的能量密度水平在160～170 Wh/kg，隨著三元材料由NCM523逐漸向NCM622以及NCM811過(guò)渡[19-20]，能量密度將大幅提升。由于動(dòng)力電池市場(chǎng)整體發(fā)展的不均勻性以及無(wú)法獲得每類電池的具體數(shù)據(jù)，假定當(dāng)前以應(yīng)用NCM523類電池為主，2020～2025年、2025～2030年則分別以NCM622、NCM811為主。結(jié)合國(guó)外同類電池的發(fā)展水平及國(guó)內(nèi)電池制備技術(shù)[21]，推測(cè)2030年三元鋰電池的能量密度將達(dá)280～300 Wh/kg。當(dāng)前磷酸鐵鋰電池的行業(yè)平均值為120 Wh/kg，錳酸鋰電池已突破140 Wh/kg，預(yù)計(jì)2030年兩者的能量密度均可達(dá)到其理論最大值，分別為180 Wh/kg和210 Wh/kg。

提升電池容量還可通過(guò)增加電池?cái)?shù)量實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)會(huì)加大電池負(fù)載，降低電池效能，因此本文假設(shè)電池質(zhì)量維持現(xiàn)有水平不變。根據(jù)上述能量密度預(yù)測(cè)值及電池質(zhì)量[22]，預(yù)測(cè)出各類電池在不同車型中的容量，見表1。由于目前氫燃料汽車尚未規(guī)模發(fā)展，考慮到其與插電混動(dòng)汽車均為混合驅(qū)動(dòng)[23]，本文假設(shè)氫燃料電池汽車的電池容量與插電混動(dòng)汽車相同。

表1 2030年動(dòng)力電池相關(guān)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 1 Power battery related parameters prediction results in 2030

2.3 單位電池容量對(duì)鋰資源的需求量

本文所討論的鋰資源具體指碳酸鋰。不同電池材料的單位容量對(duì)碳酸鋰的消耗量均不相同[6]。由于本文為中短期預(yù)測(cè)，因此假定單位容量對(duì)鋰資源的需求量在預(yù)測(cè)期內(nèi)不發(fā)生改變(表2)。

3 預(yù)測(cè)結(jié)果與討論

3.1 預(yù)測(cè)結(jié)果

結(jié)合各類新能源車年產(chǎn)量、各類電池裝配比例、電池容量的預(yù)測(cè)值，以及各類電池單位容量對(duì)碳酸鋰的需求量，最終預(yù)測(cè)出2030年之前動(dòng)力電池對(duì)碳酸鋰的需求量(圖4)。

表2 電池單位容量對(duì)碳酸鋰的消耗量Table 2 Lithium carbonate consumption inthe per capacity of battery

圖4 2019～2030年新能源汽車對(duì)碳酸鋰需求量預(yù)測(cè)Fig.4 Forecast of demand for lithium carbonate innew energy vehicles from 2019 to 2030

預(yù)測(cè)到2030年，新能源汽車動(dòng)力電池對(duì)碳酸鋰的需求量為58.2萬(wàn)t，是2018年需求量的15倍，2018～2020年、2020～2025年、2025～2030年碳酸鋰需求量的平均增速分別為25.12%、26.87%、23.96%。純電動(dòng)乘用車作為發(fā)展主體，2030年對(duì)碳酸鋰的需求量占總量的83%，成為碳酸鋰需求量大幅增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?。此外?025年之后氫燃料汽車產(chǎn)量的大幅上升，也將帶動(dòng)碳酸鋰的需求，預(yù)測(cè)2030年氫燃料汽車對(duì)碳酸鋰的需求量為1.4萬(wàn)t，是2018年需求量的1 131倍。

從報(bào)廢的動(dòng)力電池中可回收一定量的碳酸鋰，作為二次資源在動(dòng)力電池中循環(huán)利用，從而減少一次資源的開采，降低供應(yīng)壓力。我國(guó)動(dòng)力電池回收產(chǎn)業(yè)目前處于起步階段，預(yù)計(jì)2025年動(dòng)力電池的報(bào)廢量將達(dá)到111.7 GW·h，與2018年相比增長(zhǎng)了近10倍[24]。結(jié)合歷年國(guó)家出臺(tái)的電池回收政策[25]，回收體系將逐步完善，從而促進(jìn)回收率的提高，帶動(dòng)二次資源量的增長(zhǎng)。因此，對(duì)未來(lái)動(dòng)力電池鋰資源的需求預(yù)測(cè)還應(yīng)考慮二次資源回收量，但由于當(dāng)前動(dòng)力電池涉及的梯次利用產(chǎn)業(yè)也處于起步階段，致使動(dòng)力電池的回收技術(shù)存在不確定性，因此本文在預(yù)測(cè)過(guò)程中未給出具體的二次資源回收量。

3.2 國(guó)內(nèi)鋰資源供應(yīng)現(xiàn)狀

我國(guó)境內(nèi)鋰資源較為豐富，但由于開采條件及分離技術(shù)相對(duì)落后，導(dǎo)致本土供應(yīng)能力較弱，2017年國(guó)內(nèi)鋰礦產(chǎn)量3.15萬(wàn)t[2](折合碳酸鋰，下同)，而鋰資源的消費(fèi)量伴隨動(dòng)力電池等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直線上升，由2012年的5.5萬(wàn)t上升至2017年的12.47萬(wàn)t[26]，年均增長(zhǎng)18%，因此供需形成較大缺口，需從國(guó)外進(jìn)口鋰資源，致使對(duì)外依存度達(dá)到80%[2]。進(jìn)口來(lái)源國(guó)主要集中在澳大利亞、智利、阿根廷，其中，鹽湖鋰主要來(lái)源于智利、阿根廷，鋰輝石則全部來(lái)源于澳大利亞。

4 建 議

1) 提升本土鋰資源開發(fā)技術(shù)，提高本土供應(yīng)能力，降低對(duì)外依存度。中國(guó)的鋰資源儲(chǔ)量在全球始終保持前列，但由于諸多因素限制了本土開發(fā)。因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)鋰資源的勘查開采工作，通過(guò)相應(yīng)政策鼓勵(lì)合作開采，提升開采效率。我國(guó)鹽湖鋰資源儲(chǔ)量占比較多，且現(xiàn)當(dāng)前鹽湖鋰資源的開發(fā)已成為國(guó)際總體趨勢(shì)，因此應(yīng)當(dāng)深入鎂鋰分離技術(shù)的研究，攻克鎂鋰分離的難題，利用好這一優(yōu)勢(shì)。

2) 加快建立完善的回收體系，減小供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)電池生產(chǎn)與回收企業(yè)的合作，形成較為成熟的回收利用體系；通過(guò)著力改善高溫冶金、濕法冶金、物理拆解等[27]幾種回收技術(shù)的弊端，推行應(yīng)用聯(lián)合回收工藝，提升回收效率，減小回收成本。

3) 提高電池中材料的利用率，緩解供給壓力。從政策、資金、市場(chǎng)上對(duì)技術(shù)上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、創(chuàng)新能力較高的企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)扶持，協(xié)助其研發(fā)利用前沿技術(shù)，提高材料利用效率，減少單位容量的碳酸鋰需求，縮小供應(yīng)缺口，降低電池的制造成本，提升國(guó)內(nèi)電池產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。