动力电池“卡脖子”问题—正极材料的供需之殇

【研究背景】

汽车的电气化是减少温室气体排放的重要途径，也是现在各国主流的发展思路。2020年，运输终端用途排放（包括所有类型的运输）占美国排放量的27%，占全球排放量的24%。电动车产业的推进依然刻不容缓。然而，电动车产业的布局，不止取决于工业能力的基础，更有赖于关键生产资料的供给保障。到2040年，根据材料的不同，预计需求将增加5到40倍。因此，需要对整个供应链的脆弱性进行测量，以更好地帮助理解经济、可持续性和国家安全风险。

基于此，卡耐基梅隆大学Jeremy J. Michalek团队在Nature Communications上发表题为“Electric vehicle battery chemistry affects supply chain disruption vulnerabiLities”的研究论文，作者研究了电动汽车电池与四种关键矿物（锂、钴、镍和锰）供应链中断和脆弱性之间的关系，对镍锰钴（NMC）和磷酸铁锂（LFP）正极化学进行了比较，同时衡算了这四种材料的供应链数据细节及不同国家每种正极原料供应的脆弱性指数，优化了事件的不确定性评估。研究结果表明，供应链风险控制的关键是保障电池原材料的优化及供应。

【图文导读】

如图1所示，电池供应链可以分为三个部分：上游（原材料的开采和提取），中游（原材料加工成电池级组件）和下游（电池和电池组制造，以及报废回收和再利用）。这些电池中关键矿物的供应链因原材料生产的地理位置而异，尽管少数国家生产了每种关键矿物的大部分供应。但是最重要的选择还是正极材料，因为正极的成本占电池成本的一半以上，并在很大程度上决定了电池的关键特性，如能量和功率。虽然负极（石墨）和电解质（通常是锂盐溶液）等其他组件也可能在其供应链中受到影响，但依然无法和正极材料相比。

图1 电动汽车电池和材料供应链的地理分布。

作者研究了电动汽车电池设计选择对电池材料供应链脆弱性的影响。作者首先描述了供应链的静态分布，计算了与电池正极中使用的四种主要关键电池矿物（锂、钴、镍和锰）相关的所有材料的贸易和生产。然后，作者衡量一个国家（或多个国家的组合）的供应链脆弱性指数，即在供应链的任何步骤中，由该国制造或从该国贸易的材料生产的最终产品（在本例中为电池正极材料）的总百分比，同时考虑到每一步材料采购和缺少贸易数据所带来的不确定性，作者的分析重点是LFP（磷酸铁锂）和NMC（镍锰钴锂）。

图2 全球范围Li资源流动和电池材料供应的关系。

图2描述了锂的全球供应链，图3描述了钴、镍和锰的全球供应链。考虑到各种锂离子电池正极材料的已知需求，从左到右，每张图显示了每个国家在原材料开采和提取、原材料贸易、精炼和加工、精炼材料贸易和正极生产方面的全球材料供应比例，其中包括可能涉及电池材料供应链的废料或回收材料的贸易。对于标记为贸易的每个部分（即在每个矩形边界内的流量），流量是在国家之间的，而标记为加工的部分（即跨越矩形边界的流量）则完全在该国境内。被矩形边界一分为二的盒子可能涉及贸易或生产，但不确定。作者注意到，并非所有开采或精炼的材料都用于电池正极材料。

图2显示，2020年电池生产中使用的大部分锂来自澳大利亚（49%）、智利（27%）、中国（16%）、阿根廷（7%）和美国（1%）。除澳大利亚外，这些国家通常对开采的锂进行加工，其中99%运往中国，剩下的1%运往美国。造成这种情况的主要原因是澳大利亚和中国是锂辉岩的主要生产国，锂辉岩可以提炼成锂产品，而其他国家生产的卤水必须在精炼才能得到锂产品。中国收购的锂原料中约有31%以及智利收购的锂中的3%似乎是在非电池环境中使用或提炼的。其余部分分别由中国（59%）、智利（29%）、阿根廷（9%）和美国（3%）加工成电池级锂。精炼的锂随后被运往中国（55%）、韩国（16%）、日本（12%）、美国（5%）、加拿大（1%）和其他不生产正极材料的国家（TNPC, 12%）。并非所有的锂都用于电池正极生产——41%（中国）、44%（韩国）、29%（日本）、95%（美国）和55%（加拿大）的产量分别用于非电池正极相关产品。最后，LFP正极材料由来自中国（90%）、美国（4%）和加拿大（6%）的精炼锂生产，而NMC正极材料由来自中国（57%）、韩国（27%）和日本（16%）的精炼锂生产。

图3 全球范围内Co、Ni、Mn资源流动和电池材料供应的关系。

大量镍和锰被转化为和电池无关的产品，因此，即使存在印度尼西亚、澳大利亚和加蓬等大型生产商，它们对电池材料供应链的影响力可能有限。值得注意的是，这些数字中存在的不确定性相对较高，特别是钴和镍，因为在原材料和精炼材料的步骤中，供应都存在很大的不确定性。

图4 中国供应链中断导致锂资源配给的脆弱性指数衡算。

综合考量供应链的中断、传播和投入产出衡算，衡量产品供给脆弱性指数的最简单方法是计算一个点以估计总体比例的情况。因此，作者只考虑进口和国内生产的相对比例份额，以确定每个国家与上游生产链的关系。LFP和NMC比例分析的结果总结在图4a, e中。对于LFP，90%的正极产于中国，美国和加拿大占剩余的10%，这表明脆弱性指数至少为90%。

作者在图4b、c、f、g中的脆弱性指数衡算中考虑到了不确定性，使用网络流优化来最小化或最大化可能流经中国的供应链部分。如图4d所示，这些结果表明，LFP电池材料供应链极易受到中国中断的影响，即使在最乐观的情况下，脆弱性指数也超过90%。虽然没有在图中注明，但进一步的分析表明，即使所有正极生产都离开中国，在比例衡算方法不变的情况下，估计71%的LFP正极材料将使用到从中国生产或交易的锂原料。

图5 中国，俄罗斯，刚果民主共和国和南非的化学物质LFP和NMC材料，及Li, Ni, Co和Mn攻击稳定性的脆弱性指数。

使用这种方法，作者还计算了以中国为例的镍、钴和锰的NMC供应链的中断脆弱性指数。这些结果，除了LFP-Li和NMC-Li情况外，绘制在图5最左边的5个条形图中，其中条形图表示比例情况。在比例和最小情况下，锰的脆弱性指数最高，而在最大情况下，锂的脆弱性指数最高。图5还总结了俄罗斯、刚果民主共和国（DRC）和南非的脆弱性指数。根据比例假设，刚果民主共和国的钴和南非的锰的脆弱性指数较高，但边界情况显示出很大的不确定性——在俄罗斯、刚果民主共和国和南非，作者计算后发现0%至90%的NMC供应链容易受到中断的影响。

【总结和展望】

综上所述，考虑到中国对供应链的影响，潜在的脆弱性水平很高，LFP和NMC的脆弱性指数分别为92%和80%。虽然不同的国家和政府可能有不同关注阈值和风险承受能力，但本文的方法可以帮助政策制定者和研究人员确定具体的瓶颈、关键关系和潜在的杠杆，以减少这些相互关联的供应链中的脆弱性或生产地点的移动，例如菲律宾和中国之间关于镍供给的保障或韩国和日本对中国精炼锂的依赖。利用这种方法生成的图表、关系和分析，作者希望促进对特定国家的供给链脆弱性的做出及时的评估和保障，以及精确评价某环节中断对电动汽车电池材料供应链的影响，进而实现电动车产业的稳步布局和产量提升。

Anthony L. Cheng, Erica R. H. Fuchs, Valerie J. Karplus, Jeremy J. Michale*. Electric vehicle battery chemistry affects supply chain disruption vulnerabilities. Nature Communications （2024） 15:2143

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46418-1

来源：能源学人

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