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(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)總產(chǎn)量和單車(chē)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(chē)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(chē)中主要用于動(dòng)力電池正極材料的制備。不同類(lèi)型的新能源汽車(chē)裝配的動(dòng)力電池容量差異較大，且不同類(lèi)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(chē)的產(chǎn)量、不同動(dòng)力電池的裝車(chē)比例及各類(lèi)電池的容量決定，各類(lèi)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(chē)發(fā)展規(guī)劃為準(zhǔn)則預(yù)測(cè)出各類(lèi)車(chē)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(lèi)電池的容量及裝車(chē)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(chē)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(lèi)型多樣，需要合理分析其技術(shù)發(fā)展路徑和趨勢(shì)。考慮到未來(lái)新能源汽車(chē)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(chē)動(dòng)力電池對(duì)鋰的需求量，t；Pij為第i年第j類(lèi)車(chē)的產(chǎn)量，萬(wàn)輛；Rijk為第i年第j類(lèi)車(chē)中k型電池的裝配比例；Cijk為第i年第j類(lèi)車(chē)中k型電池的容量，kW·h/輛；Mjk為第j類(lèi)車(chē)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(lèi)新能源汽車(chē)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(chē)分為純電動(dòng)汽車(chē)、插電混動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等三個(gè)Ⅰ級(jí)類(lèi)型。根據(jù)Ⅰ級(jí)車(chē)型質(zhì)量、車(chē)長(zhǎng)及功能的不同，又可細(xì)分為純電動(dòng)乘用車(chē)、純電動(dòng)客車(chē)、純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)、插電混動(dòng)乘用車(chē)、插電混動(dòng)客車(chē)等五個(gè)Ⅱ級(jí)類(lèi)型。2018年國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)總產(chǎn)量127萬(wàn)輛[7-8]，各車(chē)型的產(chǎn)量占比如圖2所示。純電動(dòng)乘用車(chē)作為我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展主體，占比達(dá)62.34%，純電動(dòng)客車(chē)、純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)、插電混動(dòng)乘用車(chē)、插電混動(dòng)客車(chē)、氫燃料電池汽車(chē)分別占比7.32%、7.95%、21.88%、0.39%、0.12%。

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

圖3 2019～2030年各類(lèi)新能源汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)年產(chǎn)總量的預(yù)測(cè)依據(jù)，但該規(guī)劃未涉及各類(lèi)車(chē)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(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)針對(duì)新能源汽車(chē)的發(fā)展側(cè)重非插電混動(dòng)汽車(chē)，并以純電動(dòng)和插電混動(dòng)汽車(chē)為輔助，因此為實(shí)現(xiàn)我國(guó)在汽車(chē)領(lǐng)域的“彎道超車(chē)”，未來(lái)Ⅰ級(jí)車(chē)型將以純電動(dòng)汽車(chē)為主[9]，插電混動(dòng)汽車(chē)為補(bǔ)充，燃料電池汽車(chē)為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。2018年純電動(dòng)汽車(chē)、插電混動(dòng)汽車(chē)及燃料電池汽車(chē)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(xún)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(chē)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(chē)型中以乘用車(chē)為主[9]，2018年純電動(dòng)乘用車(chē)及插電混動(dòng)乘用車(chē)的產(chǎn)量分別占其所在Ⅰ級(jí)車(chē)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(chē)為代表的純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮骩11]。相比之下新能源客車(chē)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(chē)、純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)、插電混動(dòng)乘用車(chē)的產(chǎn)量分別占其所屬Ⅰ級(jí)車(chē)型產(chǎn)量的90%、9%、98%，新能源客車(chē)穩(wěn)定在年產(chǎn)量10萬(wàn)輛的當(dāng)前水平(圖3)。

2.2 各類(lèi)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(lèi)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(lài)于補(bǔ)貼政策，且新能源汽車(chē)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(chē)主要裝配三元鋰電池，客車(chē)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(chē)主要裝配三元鋰電池，因此以物流車(chē)為主的新能源專(zhuān)用車(chē)裝配的三元鋰電池還將隨著物流車(chē)的產(chǎn)量增長(zhǎng)而提升[18]。本文推測(cè)2030年專(zhuān)用車(chē)中三元鋰電池的裝配比例將達(dá)到80%。由于當(dāng)前乘用車(chē)和專(zhuān)用車(chē)中的錳酸鋰電池裝配比例較小，且錳酸鋰電池?zé)o法滿(mǎn)足新能源汽車(chē)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(lèi)電池的具體數(shù)據(jù)，假定當(dāng)前以應(yīng)用NCM523類(lèi)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(lèi)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(lèi)電池在不同車(chē)型中的容量，見(jiàn)表1。由于目前氫燃料汽車(chē)尚未規(guī)模發(fā)展，考慮到其與插電混動(dòng)汽車(chē)均為混合驅(qū)動(dòng)[23]，本文假設(shè)氫燃料電池汽車(chē)的電池容量與插電混動(dòng)汽車(chē)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(lèi)新能源車(chē)年產(chǎn)量、各類(lèi)電池裝配比例、電池容量的預(yù)測(cè)值，以及各類(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)。因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)鋰資源的勘查開(kāi)采工作，通過(guò)相應(yīng)政策鼓勵(lì)合作開(kāi)采，提升開(kāi)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(kāi)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。