陳光輝，王中奎，羅寧川

（北京安泰科信息股份有限公司，北京 100814）

1 概述

鋰離子電池具有電壓高、比能量大、充電快等優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車(chē)等諸多產(chǎn)品電池的首選。隨著我國(guó)節(jié)能減排行動(dòng)的推廣和新能源汽車(chē)的逐步普及，鋰資源的重要性也變得日益突出[1-3]。隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，新能源汽車(chē)的原材料供應(yīng)鏈安全開(kāi)始逐漸被人們重視。其中，新能源汽車(chē)的單位鋰含量是所有鋰電池產(chǎn)品中最高的，隨著未來(lái)新能源汽車(chē)發(fā)展對(duì)鋰的大規(guī)模需求，人們開(kāi)始擔(dān)憂鋰的供給安全[4]。

在本篇文章中，我們選擇的新能源汽車(chē)主要包括插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）和純電動(dòng)汽車(chē)（BEV），其他新能源車(chē)型不在本文討論范圍內(nèi)。

2 新能源汽車(chē)的鋰需求量計(jì)算

新能源汽車(chē)未來(lái)鋰需求量的計(jì)算涉及多個(gè)因素，具有很大的不確定性。然而，通常考慮的共同因素包括：

（1）未來(lái)制造的EV數(shù)量，百萬(wàn)輛/年；

（2）EV中電池的容量，kWh；

（3）電池中單位容量（kWh）的鋰強(qiáng)度，g Li/kWh。

根據(jù)上述假設(shè)，可以得到新能源汽車(chē)的鋰需求量，其計(jì)算公式如下：

DLi,y=（M×S×I）BEV+（M×S×I）PHEV

式中，DLi,y代表全球新能源汽車(chē)第y年鋰需求量；

M代表BEV/PHEV的市場(chǎng)規(guī)模（第y年銷(xiāo)量）；

S代表BEV/PHEV的單車(chē)帶電量（kWh）；

I代表BEV/PHEV中電池單位容量的鋰強(qiáng)度（g Li/kWh）。

2.1 未來(lái)新能源汽車(chē)的市場(chǎng)規(guī)模

有幾項(xiàng)研究對(duì)未來(lái)新能源汽車(chē)市場(chǎng)提出了一系列不同的展望，然而基于不同的研究背景給出的市場(chǎng)規(guī)模相差非常大，從1000萬(wàn)輛到8000萬(wàn)輛之間。然而，所有這些研究中，國(guó)際能源署的未來(lái)場(chǎng)景設(shè)置是非常有意義的[5]：首先，提供了2050年（氣候目標(biāo)的關(guān)鍵年份）的新能源汽車(chē)預(yù)計(jì)銷(xiāo)量；其次，基于一種內(nèi)部一致的設(shè)想，即到2050年將全球CO2排放量減少到2005年的一半?；趪?guó)際能源署的場(chǎng)景設(shè)置，2050年新能源汽車(chē)的市場(chǎng)規(guī)模如表1所示。

表1 2015-2050年國(guó)際能源署藍(lán)圖中全球EV和PHEV的銷(xiāo)量預(yù)測(cè)（百萬(wàn)輛/年）

2.2 BEV/PHEV的電池容量

電池的額定容量用kWh表示，是決定BEV或PHEV續(xù)航里程的重要參數(shù)之一。對(duì)于BEV和PHEV，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電池尺寸。但是，在續(xù)航里程和成本，電池質(zhì)量和體積之間存在權(quán)衡，這就限制了不同型號(hào)BEV或PHEV的電池尺寸和容量大小。尤其對(duì)于PHEV，帝國(guó)理工學(xué)院印證了這一點(diǎn)，電池的最佳尺寸位于很窄的范圍內(nèi)，大致是15kWh左右[6]。

根據(jù)EV sales公布的2019年全球新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量數(shù)據(jù)可知，BEV的電池容量在20～100kWh之間，續(xù)航里程在151～595km；PHEV的電池容量在8.8～18.4kWh之間，純電續(xù)航里程在33.8-85km之間。

由于未來(lái)需求還存在諸多不確定性因素以及預(yù)測(cè)電池中鋰含量的復(fù)雜性，我們?cè)O(shè)置了兩種場(chǎng)景。根據(jù)汽車(chē)銷(xiāo)量和電池容量計(jì)算出單車(chē)平均帶電量（加權(quán)平均值），BEV為57.39kWh，續(xù)航里程為439km，PHEV為12.84kWh，純電續(xù)航為58km，作為低場(chǎng)景來(lái)計(jì)算鋰需求量；基于未來(lái)新能源乘用車(chē)向長(zhǎng)續(xù)航、高能量密度的發(fā)展，我們利用電池的最高容量，BEV為100kWh，PHEV為18.4kWh，作為高場(chǎng)景來(lái)計(jì)算鋰需求量。

2.3 BEV和PHEV中電池單位容量的鋰含量

不同鋰電池技術(shù)路線的結(jié)構(gòu)體系和材料用量有所差異，但鋰資源都是其不可或缺的重要組成部分。由于不同正極材料的鋰含量不同，電池單位能量對(duì)應(yīng)的鋰需求量更是和其采用的正極材料體系息息相關(guān)，因此我們對(duì)電池不同正極材料體系單位容量對(duì)鋰資源的需求量進(jìn)行了測(cè)算，如表2所示。

表2 采用不同的正極材料時(shí)1kWh電池對(duì)應(yīng)的鋰資源需求量

目前運(yùn)用在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的電池體系主要有：三元電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池。其中，三元電池裝機(jī)量在乘用車(chē)領(lǐng)域占比高達(dá)96.16%。此外，隨著乘用車(chē)對(duì)長(zhǎng)續(xù)航、高能量密度和低能耗的需求，未來(lái)三元電池將向高鎳化發(fā)展，三元高鎳材料電池在乘用車(chē)領(lǐng)域占比會(huì)進(jìn)一步攀升。因此，為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，我們假定未來(lái)乘用車(chē)所用電池為三元高鎳（NCM811）材料電池體系，因此，1KWh電池對(duì)應(yīng)的鋰資源需求量為102.44g。。

3 鋰供應(yīng)

為了更好的理解未來(lái)鋰的供給，我們將從以下幾點(diǎn)展開(kāi)討論：鋰礦的地質(zhì)學(xué)特征；現(xiàn)有儲(chǔ)量和目前年產(chǎn)量；以及預(yù)計(jì)未來(lái)鋰產(chǎn)量。

3.1 鋰礦的地質(zhì)學(xué)特征

圖1 鋰資源、鋰化學(xué)品和它們的主要應(yīng)用領(lǐng)域

圖2 全球鋰資源分布情況

鋰通常以以下四種形式存在于自然界中：偉晶巖，鹵水，沉積巖和海水[7-8]。其中，偉晶巖、鹵水和沉積巖是三種最主要的礦床類(lèi)型。根據(jù)Yaksic and Tilton的研究[4]，海洋中存在約4480億噸鋰，但是由于鋰含量過(guò)低，目前還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)地從海水中提取鋰。

鋰通常是以其化合物形式被首先提取出來(lái)，如碳酸鋰，然后以碳酸鋰為基礎(chǔ)鋰鹽來(lái)進(jìn)一步生產(chǎn)氫氧化鋰、氯化鋰以及其他形式的鋰產(chǎn)品，如圖1所示。

3.2 儲(chǔ)量和產(chǎn)量

根據(jù)USGS數(shù)據(jù)顯示[9]（如圖2所示），目前全球已探明的鋰資源儲(chǔ)量約為6180萬(wàn)噸，具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的儲(chǔ)量約1400萬(wàn)噸。從分布地區(qū)來(lái)看，主要集中在南美洲和澳洲，其中，阿根廷、玻利維亞、智利三國(guó)合計(jì)占全球鋰儲(chǔ)量的50%左右。

圖3 2010-2018年全球各國(guó)鋰礦產(chǎn)量份額（Li金屬/t）

圖3展示了USGS發(fā)布的鋰產(chǎn)量數(shù)據(jù)。2018年全球鋰礦產(chǎn)量高速增長(zhǎng)達(dá)到8.47萬(wàn)噸（Li金屬計(jì)），比2017年的6.9萬(wàn)噸增長(zhǎng)了23%。

4 未來(lái)鋰供需平衡

根據(jù)上述假設(shè)，可以計(jì)算出未來(lái)新能源汽車(chē)的鋰需求量。表3展示了2020年至2050年BEV和PHEV的鋰需求量。

在上述評(píng)估中，純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)對(duì)鋰的需求在2030年至2050年間顯著增加。這主要是由于這兩種汽車(chē)預(yù)計(jì)年度銷(xiāo)量大幅增長(zhǎng)，以及PHEV和BEV銷(xiāo)量之間的比例變化（這兩種汽車(chē)具有不同的電池尺寸（kWh））。未來(lái)的需求規(guī)模也非常大，在2025年高場(chǎng)景市場(chǎng)預(yù)測(cè)下，每年將近有7萬(wàn)噸鋰需求，折合碳酸鋰當(dāng)量為37.66萬(wàn)噸。而在2050年高場(chǎng)景市場(chǎng)情況下，每年有近60萬(wàn)噸鋰需求，折合碳酸鋰當(dāng)量為314萬(wàn)噸。

表3 2020-2050年BEV和PHEV用電池對(duì)鋰的需求量預(yù)測(cè)（Li金屬/t）

表4 全球鋰行業(yè)供需平衡表2015-2025年（噸，LCE當(dāng)量）

根據(jù)USGS統(tǒng)計(jì)，2018年全球鋰礦產(chǎn)量為43.18萬(wàn)噸LCE，其中包括不同品味的鋰礦原礦和精礦。截至2018年，世界鋰礦生產(chǎn)主要由澳大利亞MRL、美國(guó)ALB、智利SQM、中國(guó)天齊鋰業(yè)和美國(guó)FMC六大公司控制，這六大公司的鋰礦產(chǎn)量在2018年占到全球鋰礦產(chǎn)量的69%，澳大利亞的Galaxy公司和中國(guó)的贛鋒鋰業(yè)鋰礦產(chǎn)量分別占到全球鋰礦產(chǎn)量的4.47%和4.19%。此外，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球一大批鋰礦公司正在加緊建設(shè)，并將陸續(xù)進(jìn)入鋰礦供應(yīng)市場(chǎng)，以滿足快速增長(zhǎng)的鋰電池行業(yè)對(duì)鋰資源的需求。截至2025年，全球鋰礦產(chǎn)能將達(dá)到168.23萬(wàn)噸。

表4展示了2015-2025年全球鋰行業(yè)供需平衡表，我們根據(jù)新能源汽車(chē)的年復(fù)合增長(zhǎng)率可以計(jì)算出其后幾年的增長(zhǎng)量。此外，鑒于目前缺乏經(jīng)濟(jì)刺激（鋰價(jià)處于低位）和再循環(huán)回收率較低的現(xiàn)狀，再循環(huán)回收對(duì)供應(yīng)量的影響沒(méi)有包括在內(nèi)。然而，如果鋰回收在未來(lái)變得可行，相對(duì)于表4中給出的預(yù)測(cè)，這將對(duì)未來(lái)鋰資源的保障程度產(chǎn)生積極影響。

由于諸多因素驅(qū)使，表3中給出的未來(lái)鋰需求量范圍是非常巨大的。首先，考慮到未來(lái)電池的容量和單位容量含鋰量，預(yù)測(cè)值存在很大的不確定性；其次，當(dāng)前車(chē)輛保有量數(shù)據(jù)和相關(guān)報(bào)告提供了非常寬泛的電池容量和材料強(qiáng)度，并沒(méi)有在細(xì)分領(lǐng)域給出具體需求；最后，汽車(chē)制造商目前優(yōu)先考慮的是提高新能源汽車(chē)的續(xù)航里程，而不是降低電池中原材料的強(qiáng)度。

未來(lái)2030年，甚至2050年的鋰需求量比當(dāng)前供給量大很多倍，盡管這很有挑戰(zhàn)性，但沒(méi)有證據(jù)表明未來(lái)產(chǎn)量不能以足夠的速度增長(zhǎng)。盡管鋰產(chǎn)量的長(zhǎng)期指數(shù)增長(zhǎng)是不可持續(xù)的，但是如果增長(zhǎng)能在未來(lái)20年甚至30年持續(xù)下去，滿足未來(lái)的需求是可能的。

5 結(jié)論

本文研究并評(píng)估未來(lái)鋰資源保障程度所需的關(guān)鍵變量。在需求端，這些變量包括新能源汽車(chē)的未來(lái)市場(chǎng)規(guī)模、平均電池容量和材料強(qiáng)度。鑒于國(guó)際能源署對(duì)BEV和PHEV的預(yù)測(cè)值，2050年新能源汽車(chē)對(duì)鋰的需求量是非常巨大的。

在供給端，這些變量包括全球鋰儲(chǔ)量和資源量，預(yù)計(jì)產(chǎn)量和鋰的再循環(huán)能力。根據(jù)目前的產(chǎn)能規(guī)劃、產(chǎn)能釋放時(shí)間表以及產(chǎn)能利用率，滿足2025年新能源汽車(chē)用鋰需求是不存在問(wèn)題的。此外，隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步，不斷有新的鋰礦被發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)量也在不斷增加。未來(lái)隨著提取技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，從海水中提取鋰將變得可行，此時(shí)將有大量的鋰從海水中獲得。因此，未來(lái)幾年鋰產(chǎn)量也會(huì)不斷增加，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。

最后，如果新能源汽車(chē)市場(chǎng)能夠按照國(guó)際能源署藍(lán)圖設(shè)想大幅增長(zhǎng)，那么預(yù)計(jì)2050年鋰需求的影響將是非常巨大的，超過(guò)2018年產(chǎn)量的7倍，將達(dá)到60萬(wàn)噸。盡管這很有挑戰(zhàn)性，但沒(méi)有證據(jù)表明增產(chǎn)至2050年的需求點(diǎn)存在障礙。除海水外，已探明的資源量相當(dāng)可觀。此外，如果汽車(chē)市場(chǎng)像國(guó)際能源署預(yù)測(cè)的那樣強(qiáng)勁增長(zhǎng)，最終回收也將變得可行，有助于未來(lái)的供給。