基于鋰資源的電動汽車發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h1>
2023-01-12 02:58:14侯良學(xué)
當代石油石化 2022年12期
侯良學(xué)
（中國石油化工集團有限公司國際合作部，北京 100728）
1 全球鋰產(chǎn)業(yè)概況
從1923年德國金屬公司首次鋰商業(yè)化生產(chǎn)算起，全球鋰產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了一個世紀，鋰的生產(chǎn)方式從單一的礦石提取轉(zhuǎn)為鹵水提取為主，應(yīng)用范圍逐漸從潤滑脂擴展到核武器、玻璃、陶瓷、電池等眾多領(lǐng)域。目前，全球3/4以上的鋰及其衍生產(chǎn)品通過鹽湖鹵水方式生產(chǎn)，鋰電池、玻璃與陶瓷分別是鋰消費的第一和第二大領(lǐng)域。
據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2022年發(fā)布的數(shù)據(jù)[1]，全球已探明鋰資源約8 900萬噸（折算為金屬鋰，下同），3/4以上分布在玻利維亞、阿根廷、智利、美國、澳大利亞和中國等6個國家。在已探明的鋰資源中，可采儲量約占1/4，為2 200萬噸，其中的2/3以上集中在智利（42%）和澳大利亞（26%）（見圖1）。在生產(chǎn)方面，2021年，全球鋰產(chǎn)量約為10.6萬噸，澳大利亞（5.5萬噸）、智利（2.6萬噸）和中國（1.4萬噸）是產(chǎn)量最大的3個國家，約占總產(chǎn)量的90%。
圖1 2021年主要國家鋰可采儲量與產(chǎn)量
由于鋰極難以游離態(tài)存在，含鋰產(chǎn)品的制造和鋰的國際貿(mào)易都以中間產(chǎn)品為載體，常見的是碳酸鋰、氫氧化鋰、氯化鋰，其中，碳酸鋰是使用最廣泛的鋰中間產(chǎn)品。中國是全球最大的鋰產(chǎn)品生產(chǎn)國和消費國，特別是在消費電子產(chǎn)品和電動汽車行業(yè)的推動下，中國在鋰電池領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，擁有全球鋰電池原材料產(chǎn)能的80%、電池產(chǎn)能的77%和電池零部件制造能力的60%。
鋰的使用經(jīng)歷了幾次轉(zhuǎn)變。二戰(zhàn)前后，鋰主要被用作航空發(fā)動機以及類似產(chǎn)品的高溫潤滑脂，且主要由美國生產(chǎn)。美蘇冷戰(zhàn)期間，核武器的生產(chǎn)推動鋰需求急劇上升。此后，鋰主要用于降低玻璃的熔化溫度以及提高氧化鋁的熔融特性，這兩大應(yīng)用主導(dǎo)了鋰的消費市場并一直持續(xù)到20世紀90年代中期。近幾年，隨著消費電子產(chǎn)品和電動汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，鋰電池的消費大幅上漲，鋰在電池中的應(yīng)用已成為其主要消費領(lǐng)域。
2 全球電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，電動汽車（含純電動和插電式混合動力汽車，下同）保持逐年快速發(fā)展勢頭，據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計，2021年全球電動汽車銷量翻了一番，達660萬輛，約占新車市場的9%，其中，歐洲和中國的電動汽車市場份額都已超過了15%，美國約5%；2022年上半年，全球累計銷售電動汽車435萬輛，同比增幅超過60%。不過電動汽車在整體汽車市場的占比還較低，截至2021年底，全球汽車保有量超過13億輛，其中，電動汽車保有量約1 640萬輛，占比不到1.3%。
從主要國家和地區(qū)看，中國、歐洲和美國是電動汽車發(fā)展的主力，在全球電動汽車產(chǎn)銷和保有量中的占比都超過了90%。中國是全球電動汽車產(chǎn)銷和保有量最大的國家，2021年的電動汽車銷售量約350萬輛，同比增幅超過150%，在新車銷售量中的占比超過15%；電動汽車保有量接近790萬輛，約占全國汽車保有總量的2.6%，是全球平均水平的2倍多。歐洲是僅次于中國的全球第二大電動汽車市場，2021年的電動汽車銷售量為227萬輛，約占當年新車銷售總量的18%；截至2021年底，歐洲電動汽車保有量約540萬輛，約占全球電動汽車保有總量的1/3。美國電動汽車保有量在2021年首次達到200萬輛，同比增加11%，是僅次于中國和歐洲的全球第三大電動汽車市場。
從電動汽車主要類型看，目前全球電動汽車保有量中的純電動汽車與插電式混合動力汽車的比率約2.2，即電動汽車保有量中的1/3以上是純電動汽車。不同國家和地區(qū)的類型略有差異，中國一直是發(fā)展純電動汽車的主力，目前純電動汽車與插電式混合動力汽車的保有量比率接近4.0，約80%的電動汽車是純電動；歐洲純電動和插電式混合動力汽車保有量比率在1.0左右，目前為1.2；美國介于中國和歐洲之間，目前電動汽車保有量中的純電動與插電式混合動力汽車之比接近2.0。
從續(xù)航方面來看，據(jù)IEA數(shù)據(jù)[2]，截至2021年底，全球新銷售純電動汽車的續(xù)航里程平均在350 km，插電式混合動力汽車的純電續(xù)航里程也首次超過了60 km，搭載更大容量的動力電池實現(xiàn)更大程度的減排，是近兩年插電式混合動力汽車續(xù)航里程顯著增加的主要推動因素。
3 電動汽車對鋰的需求分析
3.1 鋰電池的主要類型
電池、電機、電控是電動汽車的核心系統(tǒng)，其中電池是最核心的部分，在電動汽車整車成本中的占比為40%～60%。目前，應(yīng)用于電動汽車的動力電池技術(shù)路線主要有三大類：鋰離子電池、鈉離子電池和燃料電池，其中鋰離子電池是最成熟、應(yīng)用最廣泛的動力電池。
鋰離子電池主要包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池等，其中電動汽車使用的主流鋰電池是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池的正極材料以高鎳三元鋰電池為主，鎳元素占比一般在80%以上，又分為鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA）和鎳鈷錳酸鋰電池（NCM）兩類，其中，特斯拉使用的主要是NCA三元鋰電池，其21700NCA電池擁有目前全球最高的能量密度，接近300 Wh/kg[3]；國產(chǎn)電動汽車生產(chǎn)商普遍采用鈷用量較少、成本較低的NCM三元鋰電池，811NCM是國內(nèi)三元鋰電池的主流。磷酸鐵鋰電池的正極材料為磷酸鐵鋰，具有安全性高、可循環(huán)次數(shù)多的優(yōu)點，同時其自重大、能量密度較低，但成本明顯低于三元鋰電池，有助于降低整車成本，正被越來越多的電動汽車生產(chǎn)商接受，是目前國內(nèi)主流動力電池類型之一，比亞迪的刀片電池是其典型代表。除正極材料外，組成電動汽車所用的動力電池還需要負極材料（石墨）、電解液、隔膜、集流體等，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的這些部分基本相同?？傮w而言，三元鋰電池性能占優(yōu)，磷酸鐵鋰電池安全性和成本占優(yōu)[4-5]。
3.2 動力電池對鋰的需求分析
無論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，鋰都是不可或缺的核心材料，但不同類型電池的鋰用量有所差異，主要取決于正極材料構(gòu)成（見表1）及正極材料在整個電池中所占的比例。據(jù)目前檢索到的公開資料，正極材料在動力電池單體中的質(zhì)量占比為20%～50%，且大部分占比在30%以上，為了估算方便，在下文計算中統(tǒng)一取35%。
表1 主流動力電池的主要參數(shù)
就松下18650電池而言，根據(jù)正極材料化學(xué)式LiNi0.8Co0.15Al0.05O2以及各元素的分子量，可以計算出鋰在正極材料中的占比百分比為7.3%。按44 g的單體質(zhì)量、35%的正極材料占比和11.2 Wh的能量參數(shù)估算，生產(chǎn)一節(jié)18650電池的鋰用量為1.1g，單位電量的鋰用量為0.1 kg/kWh。據(jù)材料顯示，純電動汽車百公里耗電量平均15 kWh，假設(shè)插電式混合動力汽車的能耗（純電狀態(tài)下）與純電動汽車相同，結(jié)合前文純電動汽車350 km、插電式混合動力汽車60 km的平均續(xù)航水平，一輛純電動汽車和插電式混合動力汽車的電池電量平均分別為52.5 kWh和9.0 kWh，據(jù)此可估算出在使用18650鋰電池情況下的單車鋰用量分別為5.3 kg和0.9 kg。按照相同思路，可以估算出單體特斯拉21700電池的鋰用量為1.87 g，單位電量的鋰用量為0.11 kg/kWh，與松下18650電池大體相近。就NCM811電池而言，在與上述相同的條件下，單個電池的鋰用量約1.89 g，單位電量的鋰用量為0.13 kg/kWh，單輛電動汽車的鋰用量為6.80 kg（純電動汽車）和1.17 kg（插電式混合動力汽車）；單個磷酸鐵鋰電池的鋰用量為9.24 g，單位電量的鋰用量為0.12 kg/kWh，單輛電動汽車的鋰用量分別為6.30 kg（純電動汽車）和1.08 kg（插電式混合動力汽車）。
綜合上述估算結(jié)果，雖然不同的鋰電池在具體組成和工藝上有所差別，且因單體重量差異導(dǎo)致單個電池的鋰用量不同，但單位電量的鋰用量相差并不明顯，在0.10～0.13 kg/kWh。為后續(xù)計算方便，統(tǒng)一取0.12 kg/kWh，由此估算按照當前平均水平，每生產(chǎn)一輛純電動汽車需要消耗鋰6.3 kg，每生產(chǎn)一輛插電式混合動力汽車需要消耗鋰1.08 kg。截至2021年底，全球共有電動汽車約1 640萬輛，按照純電動汽車占2/3、插電式混合動力汽車占1/3估算，共消耗鋰7.5萬噸。2021年，全球共銷售電動汽車660萬輛，純電動汽車與插電式混合動力汽車銷量比約2.3，照此估算，2021年電動汽車動力電池共消耗鋰3.1萬噸，約占當年鋰產(chǎn)量的30%。
4 基于哈伯特模型的全球鋰產(chǎn)量預(yù)測
與油氣、煤炭等化石能源一樣，鋰也屬于不可再生的礦產(chǎn)資源，對于這類資源的供應(yīng)潛力或產(chǎn)量預(yù)測的方法主要有以儲采比為代表的靜態(tài)法和以哈伯特模型為代表的動態(tài)法。儲采比可以基于礦產(chǎn)資源的探明儲量和特定時間點的產(chǎn)量來估算其生產(chǎn)年限，是礦產(chǎn)資源行業(yè)趨勢性預(yù)測中的常用方法，主要用于對可耗竭型資源的可供性風(fēng)險進行早期預(yù)警，當儲采比低于某一水平時，需要考慮技術(shù)、政策調(diào)整或轉(zhuǎn)型措施。哈伯特模型是一種基于歷史產(chǎn)量和儲量、資源量預(yù)測未來產(chǎn)量曲線的動態(tài)模型法，很多研究人員利用該方法評價油氣以及其他礦產(chǎn)資源的產(chǎn)量達峰時間和進行產(chǎn)量預(yù)測。本文以USGS和BP公司對1995年以來全球鋰產(chǎn)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用哈伯特模型法對全球鋰產(chǎn)量進行預(yù)測[6-10]。
典型的哈伯特模型公式包括某一時間點的產(chǎn)量與累計產(chǎn)量，分別表示為：
式中，q為第t年的產(chǎn)量，萬噸；Q為到第t年的累計產(chǎn)量，萬噸；t為生產(chǎn)時間；a、b為模型常數(shù)，需要求解；R為最終可采量，萬噸。
4.1 模型參數(shù)的確定
雖然鋰的商業(yè)生產(chǎn)始于1923年，但直到二戰(zhàn)后才開始快速增長，目前能獲得的連續(xù)性最好的數(shù)據(jù)是BP能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，最早追溯至1995年。因此，本文將1995年設(shè)置為鋰生產(chǎn)的起點，即1995年對應(yīng)的t＝1。結(jié)合其他文獻數(shù)據(jù)，1995年前，全球已累計生產(chǎn)鋰23.4萬噸。
將式（1）和式（2）組合轉(zhuǎn)換得到：
由此可知，當年產(chǎn)量與累計產(chǎn)量之比與累計產(chǎn)量表現(xiàn)為線性關(guān)系，其截距為模型常數(shù)a，斜率的絕對值為a與R之比。據(jù)1995年以來的歷史數(shù)據(jù)，利用趨勢擬合法確定兩者的線性關(guān)系為：
根據(jù)式（4）可以確定a值為0.116 2，R為2 234萬噸。此最終可采量數(shù)據(jù)與USGS 2022年評估的全球2 200萬噸鋰可采儲量大體相當，表明擬合結(jié)果具有一定的可靠性。
根據(jù)式（2）進行變形推導(dǎo)可得：
4.2 全球鋰產(chǎn)量預(yù)測
將前文確定的a、b和R分別代入式（1）和式（2），可以得本次用于預(yù)測的哈伯特模型公式：
取1995年為起始年（t＝1）、對應(yīng)的累計產(chǎn)量為24.35萬噸，可以計算此后各年所對應(yīng)的產(chǎn)量和累計產(chǎn)量。結(jié)果顯示，全球鋰產(chǎn)量將在2040年左右達到峰值，約55萬噸。未來部分時間的產(chǎn)量、累計產(chǎn)量預(yù)測及與實際數(shù)據(jù)對比見圖2、圖3。
圖2 1995年以來全球鋰產(chǎn)量及預(yù)測
圖3 1995年以來全球累計鋰產(chǎn)量及預(yù)測
5 基于鋰資源的電動汽車發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h2>
據(jù)預(yù)測，2022年全球鋰需求將增加40%，但供應(yīng)增量只有24%，考慮到鋰礦投產(chǎn)周期性，短期內(nèi)全球很可能出現(xiàn)鋰供應(yīng)緊張、鋰價大幅上漲局面。
5.1 電動汽車發(fā)展前景
2010年以來，全球電動汽車呈連年快速增長態(tài)勢，電動汽車保有量在2016年首次達到200萬輛大關(guān)后，以每年一個臺階的速度發(fā)展。IEA在《全球電動汽車展望2022》中預(yù)計，到2030年，全球電動車保有量將達1.45億輛，年銷量將超過3 000萬輛；如果各國政府加速推進能源轉(zhuǎn)型，2030年的全球電動汽車保有量可能會進一步增加，至2.5億輛以上，年銷量會接近5 000萬輛；如果要實現(xiàn)2050年前凈零排放的氣候目標，到2030年，電動汽車保有量將超過3.5億輛，年銷量需要達到6 500萬輛以上。彭博新能源財經(jīng)（BNEF）發(fā)布的《2021年新能源市場長期展望報告》認為，至少在未來10年內(nèi)，全球汽車保有量將繼續(xù)保持增長，2039年將達到創(chuàng)紀錄的16億輛，全球汽車年銷量將在2036年達到峰值，約為9 800萬輛；要想將全球溫升控制在2℃以下，到2030年，全球汽車行業(yè)的電動化率要達到62%，電動汽車保有量需要達到3.55億輛，電動汽車年銷量要達到7 400萬輛，是目前年銷量水平的10倍以上。特斯拉CEO馬斯克2022年8月底在挪威的ONS大會上表示，到2030年，近1/2的汽車將是電動汽車。按目前全球每年近1億輛的汽車銷量估算，屆時電動汽車銷量將達到約5 000萬輛的水平[11-12]。
5.2 鋰資源與電動汽車發(fā)展?jié)摿?/h3>
從目前的趨勢來看，電動汽車正從中小型乘用車向中大型乘用車和重型商用車發(fā)展，續(xù)航里程也在不斷增加，動力電池成本也已從2010年的約1 200美元/kWh降至2020年的137美元/kWh，但從實際能量密度的角度看提升程度比較有限，近10年的年均提高幅度只有3%左右，這意味著動力電池單位電量的耗鋰量相對穩(wěn)定。為定量估算未來鋰產(chǎn)量能夠支撐多大的電動汽車市場，設(shè)定如下假設(shè)前提：2030年前，新產(chǎn)純電動汽車的續(xù)航里程平均為400 km、插電式混合動力汽車的續(xù)航里程平均為100 km，全球鋰產(chǎn)量中的30%用于電動汽車；2030年后，新產(chǎn)純電動汽車的續(xù)航里程平均為600 km、插電式混合動力汽車的續(xù)航里程平均為200 km，全球鋰產(chǎn)量中的50%用于電動汽車；百公里用電量保持15 kWh；單位電量的鋰用量均為0.12 kg/kWh。
照此估算，在不考慮回收利用的情況下，到2030年，全球可用于生產(chǎn)電動汽車的鋰資源為11萬噸，如果全部用于純電動汽車或插電式混合動力汽車，分別可生產(chǎn)約1 600萬輛或6 600萬輛；如果按照純電動汽車與插電式混合動力汽車2.5∶1.0的比例生產(chǎn)，可以生產(chǎn)約2 900萬輛，與IEA預(yù)計的最低情況下的電動汽車年銷量水平大體相當，遠低于IEA的其他兩種情景中5 000萬輛和6 500萬輛的水平，也達不到BNEF所預(yù)期的7 400萬輛和馬斯克認為的5 000萬輛。到2040年，全球鋰產(chǎn)量達到峰值時，可生產(chǎn)約2 500萬輛純電動汽車或4 600萬輛插電式混合動力汽車，如果按照純電動汽車與插電式混合動力汽車3∶1的比例生產(chǎn)，可以生產(chǎn)約3 100萬輛。從資源總量角度看，在全球2 234萬噸的鋰資源最終可采資源的基礎(chǔ)上，如果其中的50%用于生產(chǎn)電動汽車，可以分別生產(chǎn)純電動汽車約10.3億輛和插電式混合動力汽車31.0億輛，按照純電動汽車與插電式混合動力汽車3∶1的比例，可以生產(chǎn)電動汽車12.4億輛，低于目前全球的汽車保有總量水平。
6 結(jié)語
當前的鋰資源很可能難以滿足電動汽車發(fā)展的需求，而且隨著可再生能源持續(xù)發(fā)展，用于儲能的鋰需求量也會快速增加，形成與電動汽車競爭資源的局面，需要從資源回收與階梯利用和材料替代兩方面解決。在動力電池回收、拆解與再利用方面，電動汽車退役電池仍具備較高的可用容量，其包含的鎳、鈷、錳等金屬材料在資源稀缺的形勢下具有較高的回收價值，開展退役電池梯次和再生利用對動力電池全生命周期價值釋放和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義，應(yīng)盡快形成統(tǒng)一規(guī)范的動力電池回收、拆解和再利用市場。在材料替代方面，近年來，很多學(xué)者在替代鋰離子電池方面進行了大量研究，目前，鎂離子電池和鈉離子電池相對進展較大，而且鎂和鈉資源的豐富程度遠超過鋰，應(yīng)該持續(xù)加大研發(fā)力度，避免使鋰資源成為限制電動汽車發(fā)展的短板。
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圖1 2021年主要國家鋰可采儲量與產(chǎn)量
由于鋰極難以游離態(tài)存在，含鋰產(chǎn)品的制造和鋰的國際貿(mào)易都以中間產(chǎn)品為載體，常見的是碳酸鋰、氫氧化鋰、氯化鋰，其中，碳酸鋰是使用最廣泛的鋰中間產(chǎn)品。中國是全球最大的鋰產(chǎn)品生產(chǎn)國和消費國，特別是在消費電子產(chǎn)品和電動汽車行業(yè)的推動下，中國在鋰電池領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，擁有全球鋰電池原材料產(chǎn)能的80%、電池產(chǎn)能的77%和電池零部件制造能力的60%。
鋰的使用經(jīng)歷了幾次轉(zhuǎn)變。二戰(zhàn)前后，鋰主要被用作航空發(fā)動機以及類似產(chǎn)品的高溫潤滑脂，且主要由美國生產(chǎn)。美蘇冷戰(zhàn)期間，核武器的生產(chǎn)推動鋰需求急劇上升。此后，鋰主要用于降低玻璃的熔化溫度以及提高氧化鋁的熔融特性，這兩大應(yīng)用主導(dǎo)了鋰的消費市場并一直持續(xù)到20世紀90年代中期。近幾年，隨著消費電子產(chǎn)品和電動汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，鋰電池的消費大幅上漲，鋰在電池中的應(yīng)用已成為其主要消費領(lǐng)域。
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從主要國家和地區(qū)看，中國、歐洲和美國是電動汽車發(fā)展的主力，在全球電動汽車產(chǎn)銷和保有量中的占比都超過了90%。中國是全球電動汽車產(chǎn)銷和保有量最大的國家，2021年的電動汽車銷售量約350萬輛，同比增幅超過150%，在新車銷售量中的占比超過15%；電動汽車保有量接近790萬輛，約占全國汽車保有總量的2.6%，是全球平均水平的2倍多。歐洲是僅次于中國的全球第二大電動汽車市場，2021年的電動汽車銷售量為227萬輛，約占當年新車銷售總量的18%；截至2021年底，歐洲電動汽車保有量約540萬輛，約占全球電動汽車保有總量的1/3。美國電動汽車保有量在2021年首次達到200萬輛，同比增加11%，是僅次于中國和歐洲的全球第三大電動汽車市場。
從電動汽車主要類型看，目前全球電動汽車保有量中的純電動汽車與插電式混合動力汽車的比率約2.2，即電動汽車保有量中的1/3以上是純電動汽車。不同國家和地區(qū)的類型略有差異，中國一直是發(fā)展純電動汽車的主力，目前純電動汽車與插電式混合動力汽車的保有量比率接近4.0，約80%的電動汽車是純電動；歐洲純電動和插電式混合動力汽車保有量比率在1.0左右，目前為1.2；美國介于中國和歐洲之間，目前電動汽車保有量中的純電動與插電式混合動力汽車之比接近2.0。
從續(xù)航方面來看，據(jù)IEA數(shù)據(jù)[2]，截至2021年底，全球新銷售純電動汽車的續(xù)航里程平均在350 km，插電式混合動力汽車的純電續(xù)航里程也首次超過了60 km，搭載更大容量的動力電池實現(xiàn)更大程度的減排，是近兩年插電式混合動力汽車續(xù)航里程顯著增加的主要推動因素。
3 電動汽車對鋰的需求分析
3.1 鋰電池的主要類型
電池、電機、電控是電動汽車的核心系統(tǒng)，其中電池是最核心的部分，在電動汽車整車成本中的占比為40%～60%。目前，應(yīng)用于電動汽車的動力電池技術(shù)路線主要有三大類：鋰離子電池、鈉離子電池和燃料電池，其中鋰離子電池是最成熟、應(yīng)用最廣泛的動力電池。
鋰離子電池主要包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池等，其中電動汽車使用的主流鋰電池是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池的正極材料以高鎳三元鋰電池為主，鎳元素占比一般在80%以上，又分為鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA）和鎳鈷錳酸鋰電池（NCM）兩類，其中，特斯拉使用的主要是NCA三元鋰電池，其21700NCA電池擁有目前全球最高的能量密度，接近300 Wh/kg[3]；國產(chǎn)電動汽車生產(chǎn)商普遍采用鈷用量較少、成本較低的NCM三元鋰電池，811NCM是國內(nèi)三元鋰電池的主流。磷酸鐵鋰電池的正極材料為磷酸鐵鋰，具有安全性高、可循環(huán)次數(shù)多的優(yōu)點，同時其自重大、能量密度較低，但成本明顯低于三元鋰電池，有助于降低整車成本，正被越來越多的電動汽車生產(chǎn)商接受，是目前國內(nèi)主流動力電池類型之一，比亞迪的刀片電池是其典型代表。除正極材料外，組成電動汽車所用的動力電池還需要負極材料（石墨）、電解液、隔膜、集流體等，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的這些部分基本相同?？傮w而言，三元鋰電池性能占優(yōu)，磷酸鐵鋰電池安全性和成本占優(yōu)[4-5]。
3.2 動力電池對鋰的需求分析
無論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，鋰都是不可或缺的核心材料，但不同類型電池的鋰用量有所差異，主要取決于正極材料構(gòu)成（見表1）及正極材料在整個電池中所占的比例。據(jù)目前檢索到的公開資料，正極材料在動力電池單體中的質(zhì)量占比為20%～50%，且大部分占比在30%以上，為了估算方便，在下文計算中統(tǒng)一取35%。
表1 主流動力電池的主要參數(shù)
就松下18650電池而言，根據(jù)正極材料化學(xué)式LiNi0.8Co0.15Al0.05O2以及各元素的分子量，可以計算出鋰在正極材料中的占比百分比為7.3%。按44 g的單體質(zhì)量、35%的正極材料占比和11.2 Wh的能量參數(shù)估算，生產(chǎn)一節(jié)18650電池的鋰用量為1.1g，單位電量的鋰用量為0.1 kg/kWh。據(jù)材料顯示，純電動汽車百公里耗電量平均15 kWh，假設(shè)插電式混合動力汽車的能耗（純電狀態(tài)下）與純電動汽車相同，結(jié)合前文純電動汽車350 km、插電式混合動力汽車60 km的平均續(xù)航水平，一輛純電動汽車和插電式混合動力汽車的電池電量平均分別為52.5 kWh和9.0 kWh，據(jù)此可估算出在使用18650鋰電池情況下的單車鋰用量分別為5.3 kg和0.9 kg。按照相同思路，可以估算出單體特斯拉21700電池的鋰用量為1.87 g，單位電量的鋰用量為0.11 kg/kWh，與松下18650電池大體相近。就NCM811電池而言，在與上述相同的條件下，單個電池的鋰用量約1.89 g，單位電量的鋰用量為0.13 kg/kWh，單輛電動汽車的鋰用量為6.80 kg（純電動汽車）和1.17 kg（插電式混合動力汽車）；單個磷酸鐵鋰電池的鋰用量為9.24 g，單位電量的鋰用量為0.12 kg/kWh，單輛電動汽車的鋰用量分別為6.30 kg（純電動汽車）和1.08 kg（插電式混合動力汽車）。
綜合上述估算結(jié)果，雖然不同的鋰電池在具體組成和工藝上有所差別，且因單體重量差異導(dǎo)致單個電池的鋰用量不同，但單位電量的鋰用量相差并不明顯，在0.10～0.13 kg/kWh。為后續(xù)計算方便，統(tǒng)一取0.12 kg/kWh，由此估算按照當前平均水平，每生產(chǎn)一輛純電動汽車需要消耗鋰6.3 kg，每生產(chǎn)一輛插電式混合動力汽車需要消耗鋰1.08 kg。截至2021年底，全球共有電動汽車約1 640萬輛，按照純電動汽車占2/3、插電式混合動力汽車占1/3估算，共消耗鋰7.5萬噸。2021年，全球共銷售電動汽車660萬輛，純電動汽車與插電式混合動力汽車銷量比約2.3，照此估算，2021年電動汽車動力電池共消耗鋰3.1萬噸，約占當年鋰產(chǎn)量的30%。
4 基于哈伯特模型的全球鋰產(chǎn)量預(yù)測
與油氣、煤炭等化石能源一樣，鋰也屬于不可再生的礦產(chǎn)資源，對于這類資源的供應(yīng)潛力或產(chǎn)量預(yù)測的方法主要有以儲采比為代表的靜態(tài)法和以哈伯特模型為代表的動態(tài)法。儲采比可以基于礦產(chǎn)資源的探明儲量和特定時間點的產(chǎn)量來估算其生產(chǎn)年限，是礦產(chǎn)資源行業(yè)趨勢性預(yù)測中的常用方法，主要用于對可耗竭型資源的可供性風(fēng)險進行早期預(yù)警，當儲采比低于某一水平時，需要考慮技術(shù)、政策調(diào)整或轉(zhuǎn)型措施。哈伯特模型是一種基于歷史產(chǎn)量和儲量、資源量預(yù)測未來產(chǎn)量曲線的動態(tài)模型法，很多研究人員利用該方法評價油氣以及其他礦產(chǎn)資源的產(chǎn)量達峰時間和進行產(chǎn)量預(yù)測。本文以USGS和BP公司對1995年以來全球鋰產(chǎn)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用哈伯特模型法對全球鋰產(chǎn)量進行預(yù)測[6-10]。
典型的哈伯特模型公式包括某一時間點的產(chǎn)量與累計產(chǎn)量，分別表示為：
式中，q為第t年的產(chǎn)量，萬噸；Q為到第t年的累計產(chǎn)量，萬噸；t為生產(chǎn)時間；a、b為模型常數(shù)，需要求解；R為最終可采量，萬噸。
4.1 模型參數(shù)的確定
雖然鋰的商業(yè)生產(chǎn)始于1923年，但直到二戰(zhàn)后才開始快速增長，目前能獲得的連續(xù)性最好的數(shù)據(jù)是BP能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，最早追溯至1995年。因此，本文將1995年設(shè)置為鋰生產(chǎn)的起點，即1995年對應(yīng)的t＝1。結(jié)合其他文獻數(shù)據(jù)，1995年前，全球已累計生產(chǎn)鋰23.4萬噸。
將式（1）和式（2）組合轉(zhuǎn)換得到：
由此可知，當年產(chǎn)量與累計產(chǎn)量之比與累計產(chǎn)量表現(xiàn)為線性關(guān)系，其截距為模型常數(shù)a，斜率的絕對值為a與R之比。據(jù)1995年以來的歷史數(shù)據(jù)，利用趨勢擬合法確定兩者的線性關(guān)系為：
根據(jù)式（4）可以確定a值為0.116 2，R為2 234萬噸。此最終可采量數(shù)據(jù)與USGS 2022年評估的全球2 200萬噸鋰可采儲量大體相當，表明擬合結(jié)果具有一定的可靠性。
根據(jù)式（2）進行變形推導(dǎo)可得：
4.2 全球鋰產(chǎn)量預(yù)測
將前文確定的a、b和R分別代入式（1）和式（2），可以得本次用于預(yù)測的哈伯特模型公式：
取1995年為起始年（t＝1）、對應(yīng)的累計產(chǎn)量為24.35萬噸，可以計算此后各年所對應(yīng)的產(chǎn)量和累計產(chǎn)量。結(jié)果顯示，全球鋰產(chǎn)量將在2040年左右達到峰值，約55萬噸。未來部分時間的產(chǎn)量、累計產(chǎn)量預(yù)測及與實際數(shù)據(jù)對比見圖2、圖3。
圖2 1995年以來全球鋰產(chǎn)量及預(yù)測
圖3 1995年以來全球累計鋰產(chǎn)量及預(yù)測
5 基于鋰資源的電動汽車發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h2>
據(jù)預(yù)測，2022年全球鋰需求將增加40%，但供應(yīng)增量只有24%，考慮到鋰礦投產(chǎn)周期性，短期內(nèi)全球很可能出現(xiàn)鋰供應(yīng)緊張、鋰價大幅上漲局面。
5.1 電動汽車發(fā)展前景
2010年以來，全球電動汽車呈連年快速增長態(tài)勢，電動汽車保有量在2016年首次達到200萬輛大關(guān)后，以每年一個臺階的速度發(fā)展。IEA在《全球電動汽車展望2022》中預(yù)計，到2030年，全球電動車保有量將達1.45億輛，年銷量將超過3 000萬輛；如果各國政府加速推進能源轉(zhuǎn)型，2030年的全球電動汽車保有量可能會進一步增加，至2.5億輛以上，年銷量會接近5 000萬輛；如果要實現(xiàn)2050年前凈零排放的氣候目標，到2030年，電動汽車保有量將超過3.5億輛，年銷量需要達到6 500萬輛以上。彭博新能源財經(jīng)（BNEF）發(fā)布的《2021年新能源市場長期展望報告》認為，至少在未來10年內(nèi)，全球汽車保有量將繼續(xù)保持增長，2039年將達到創(chuàng)紀錄的16億輛，全球汽車年銷量將在2036年達到峰值，約為9 800萬輛；要想將全球溫升控制在2℃以下，到2030年，全球汽車行業(yè)的電動化率要達到62%，電動汽車保有量需要達到3.55億輛，電動汽車年銷量要達到7 400萬輛，是目前年銷量水平的10倍以上。特斯拉CEO馬斯克2022年8月底在挪威的ONS大會上表示，到2030年，近1/2的汽車將是電動汽車。按目前全球每年近1億輛的汽車銷量估算，屆時電動汽車銷量將達到約5 000萬輛的水平[11-12]。
5.2 鋰資源與電動汽車發(fā)展?jié)摿?/h3>
從目前的趨勢來看，電動汽車正從中小型乘用車向中大型乘用車和重型商用車發(fā)展，續(xù)航里程也在不斷增加，動力電池成本也已從2010年的約1 200美元/kWh降至2020年的137美元/kWh，但從實際能量密度的角度看提升程度比較有限，近10年的年均提高幅度只有3%左右，這意味著動力電池單位電量的耗鋰量相對穩(wěn)定。為定量估算未來鋰產(chǎn)量能夠支撐多大的電動汽車市場，設(shè)定如下假設(shè)前提：2030年前，新產(chǎn)純電動汽車的續(xù)航里程平均為400 km、插電式混合動力汽車的續(xù)航里程平均為100 km，全球鋰產(chǎn)量中的30%用于電動汽車；2030年后，新產(chǎn)純電動汽車的續(xù)航里程平均為600 km、插電式混合動力汽車的續(xù)航里程平均為200 km，全球鋰產(chǎn)量中的50%用于電動汽車；百公里用電量保持15 kWh；單位電量的鋰用量均為0.12 kg/kWh。
照此估算，在不考慮回收利用的情況下，到2030年，全球可用于生產(chǎn)電動汽車的鋰資源為11萬噸，如果全部用于純電動汽車或插電式混合動力汽車，分別可生產(chǎn)約1 600萬輛或6 600萬輛；如果按照純電動汽車與插電式混合動力汽車2.5∶1.0的比例生產(chǎn)，可以生產(chǎn)約2 900萬輛，與IEA預(yù)計的最低情況下的電動汽車年銷量水平大體相當，遠低于IEA的其他兩種情景中5 000萬輛和6 500萬輛的水平，也達不到BNEF所預(yù)期的7 400萬輛和馬斯克認為的5 000萬輛。到2040年，全球鋰產(chǎn)量達到峰值時，可生產(chǎn)約2 500萬輛純電動汽車或4 600萬輛插電式混合動力汽車，如果按照純電動汽車與插電式混合動力汽車3∶1的比例生產(chǎn)，可以生產(chǎn)約3 100萬輛。從資源總量角度看，在全球2 234萬噸的鋰資源最終可采資源的基礎(chǔ)上，如果其中的50%用于生產(chǎn)電動汽車，可以分別生產(chǎn)純電動汽車約10.3億輛和插電式混合動力汽車31.0億輛，按照純電動汽車與插電式混合動力汽車3∶1的比例，可以生產(chǎn)電動汽車12.4億輛，低于目前全球的汽車保有總量水平。
6 結(jié)語
當前的鋰資源很可能難以滿足電動汽車發(fā)展的需求，而且隨著可再生能源持續(xù)發(fā)展，用于儲能的鋰需求量也會快速增加，形成與電動汽車競爭資源的局面，需要從資源回收與階梯利用和材料替代兩方面解決。在動力電池回收、拆解與再利用方面，電動汽車退役電池仍具備較高的可用容量，其包含的鎳、鈷、錳等金屬材料在資源稀缺的形勢下具有較高的回收價值，開展退役電池梯次和再生利用對動力電池全生命周期價值釋放和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義，應(yīng)盡快形成統(tǒng)一規(guī)范的動力電池回收、拆解和再利用市場。在材料替代方面，近年來，很多學(xué)者在替代鋰離子電池方面進行了大量研究，目前，鎂離子電池和鈉離子電池相對進展較大，而且鎂和鈉資源的豐富程度遠超過鋰，應(yīng)該持續(xù)加大研發(fā)力度，避免使鋰資源成為限制電動汽車發(fā)展的短板。
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