新能源汽车关键原材料全球供应风险评估

王　昶，孙　晶，左绿水,3，宋慧玲

(1.中南大学商学院,湖南　长沙 410083；2.中南大学金属资源战略研究院,湖南　长沙　410083；3.Sustainable Minerals Institute，The University of Queensland，St Lucia，QLD 4072，Australia)

0　引言

近年来，能源与环境问题对传统汽车产业的发展提出严峻的挑战。新能源汽车凭借其节能环保的独特优势脱颖而出，适应了国际能源供应紧缺以及环境保护呼声日益高涨的大背景，成为市场和社会各界关注的焦点[1]。世界各国纷纷制定相关政策，大力支持、鼓励新能源汽车的发展，并将发展新能源汽车作为国家战略[2]。美国启动了“新一代汽车合作伙伴计划”、“自由汽车计划”等国家战略，从研发与产业化支持、消费刺激、基础设施建设等多方面提供了有力的政策；德国制定《国家电动汽车发展计划》，加大对电动汽车的市场的激励力度；日本将新能源汽车作为汽车产业发展的重要方向，并制定了《下一代汽车战略2010》；中国将新能源汽车产业列为战略性新兴产业，并列入《中国制造2025》重点发展领域之一。在各国政策的支持下，全球新能源汽车的发展呈现井喷式增长，2016年全球新能源乘用车销量达77.4万辆，比2015年增长40%，其中，中国新能源乘用车销量达32万辆，成为全球新能源乘用车市场的主战场。新能源汽车产业是一个典型的资源密集型和技术密集型产业[3]。与传统汽车相比，新能源汽车对原材料的需求也发生了变化，如车身更多的使用轻量化材料，动力电池代替传统铅酸电池，从而带动了对镍、钴、锰等原材料的需求。2015年动力电池三元材料消耗镍1973吨、钴1056吨、锰1170吨，据预测，到2018年，将分别增长到23785吨、7067吨、7062吨[4]。新能源汽车产业发展步伐加快，对锂、钴、镍等关键原材料形成强劲的需求，关键原材料已经成为各国利益争夺的焦点。从需求侧看，自2008年以来，美国、欧盟、日本[5-7]纷纷发布关键原材料的战略评估报告，筛选出合乎本国或本地区的战略性新兴产业关键原材料，并采取一系列措施保障原材料的供给。从供给侧看，新能源汽车关键原材料中有较多的稀有金属，在地球上存量稀少，且通常是主要工业金属如铜、锌、铝开采和加工的副产品，其可供性主要受主产品可供性的制约[8]，致使关键原材料的供给风险进一步加大进而制约新能源汽车产业的发展。因此，界定新能源汽车关键原材料，并进行全球供应风险评估，对保障新能源汽车产业的发展具有重要意义。

现有文献对新能源汽车的研究多集中在商业模式、产业政策、产业联盟等方面，如谢青、刘颖琦对新能源汽车的商业模式创新进行了研究分析[9-10]；王静宇等基于社会网络视角，对中国新能源汽车产业联盟进行了实证研究[11]；李华晶等基于绿色技术创新视角研究了新能源汽车企业研发投入与绩效的关系[12]；王燕妮引入社会技术系统理论和多层次视角模型，分析了新能源汽车社会技术系统面临的宏观环境[13]；程广宇、范如国、王宏起等对新能源汽车产业发展、补贴政策、生态系统等进行了分析研究[14-16]。当然，也有文献从未来可持续技术、战略性新兴产业发展的视角[17-18]对全球稀有矿产资源的供应风险进行了分析，但并没有针对新能源汽车的关键原材料做出评估，并且多从原生资源角度考虑，忽略了城市矿产循环利用对原材料供应的影响。在此背景下，本文界定新能源汽车关键原材料，建立原材料全球供应风险评估指标体系，对新能源汽车关键原材料进行全球供应风险评估，为提高新能源汽车关键原材料的保障能力提供科学依据。

1　研究方法

1.1　研究对象的界定

根据中国国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，新能源汽车是指采用新动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车[19]。与传统汽车相比，在构成部件方面，新能源汽车新增了电动机、逆变器、动力电池等电机及电子部件，减少了发动机及其周边部件，如气缸、燃料箱、排气管、铅蓄电池等。在构成材料方面，用于这些部件的铝合金、特种钢、工程塑料等材料会有所减少，而高性能磁铁、钢板、铜、锂化物、钴化物、碳、铝合金、树脂等材料用料将会增加[20]，具体如下：从动力电池材料看，正极材料包括磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料(镍钴锰、镍钴铝等)；负极材料相对稳定，以石墨为主，也有少量以钛酸锂做负极材料；隔膜通常为氧化锆纤维材料。燃料电池汽车的能量来源是氢，需要铂族金属作为催化剂使产生能量[2]。为保证新能源汽车的续航能力，要求新能源汽车的驱动电具备高密度、高效率和强可靠性的特点[3]，稀土永磁同步电机是当前的主流技术，主要物质为钕铁硼，含有大量的铁和稀土元素钕。通常情况下还会混合少量的镓和稀土元素中的镝、镨、铽以保证永磁电机的耐热性。电子电力系统实现了直流电和交流电的转化，需要一定的钯、金、锗、铟和银等金属来实现。在保证新能源汽车强度和安全性能的前提下，新型纤维复合材料、镁铝合金、含铬的高强度钢、钛合金以及一些非金属基复合材料等都在新能源汽车轻量化和安全性方面有巨大的应用潜力[20-22]。

通过整理现有文献、汽车生产商报告等资料，并结合新能源汽车和新材料领域多位专家意见，本文最终确定了铬、铝、锗、钴、锡、铁、铟、锌、锰、锆、银、金、镍、铜、镓、稀土、石墨、硒、镁、硅、铂、钛和锂23种关键原材料作为研究对象(见图1)。

图1　新能源汽车关键原材料

1.2　指标体系的构建与测量

目前关于新能源汽车关键原材料供应风险评估的研究还比较少，尚未形成完善的评估体系，但对原材料供应风险评估方法的研究有很多。美国国家研究委员会[5]、欧盟委员会[6]、中国国土资源部[23]等组织和机构根据各国或地区产业发展的重点从不同层面构建指标体系对稀有矿产资源的供应风险进行评价。从具体评估指标来看，生产集中度、资源耗竭时间、世界治理指标、人类发展指数在矿产资源供应风险评估中出现的次数较多，也有一些机构使用了进口依赖、进口集中度等指标，但使用频次较少。本文是从全球尺度进行研究，不考虑进出口对原材料全球供应风险的影响。

总体来看，耶鲁大学Graedel团队[24]所提出的原材料供应风险评估方法比较全面成熟，并被广泛应用，本文参考耶鲁大学和杨丹辉等人的评估方法，从资源供应潜力和资源供应能力两个方面，构建了一套包括3个一级指标、5个二级指标的评估体系(见图2)，对新能源汽车关键原材料的全球供应风险进行评估。

图2　新能源汽车关键原材料全球供应风险 评价指标及权重

(1)地质性、技术性及经济性因素。影响资源供应潜力的根本因素是资源的储量，同时开采技术、开采成本等因素会影响资源的开采量。本文借鉴了日本先进工业科技研究所在《金属的关键性评估——基于日本的资源战略》中提出的原材料消耗时间等级划分方法(见表1)，并结合功效系数法，对新能源汽车关键原材料的储产比进行转化，方法如下：根据日本先进工业科技研究所的风险等级划分标准，设定每组基础得分并计算调整分，原材料储产比风险得分由基础分和调整分组成，得分越高表示原材料供应的保障程度越高，面临的风险也就越低。

(1)

(2)社会发展水平和监管政策因素。社会发展水平和监管政策因素主要对矿产资源的开发能力有重要影响，反映出原材料供应能力，主要通过人类发展指数(HDI)、矿业政策潜力指数(PPI)两个指标来衡量该因素隐含的供应风险：

① 人类发展指数(HDI)。现有研究通常采用人类发展指数作为衡量社会经济发展水平的评价指标。一个国家或地区的人类发展指数越高，经济活动的稳定性也就越高，原材料开发的稳定性也就越高。本文参考Graedel的处理方法，先对人类发展指数进行处理转化，以原材料生产国占全球生产总额的比重为权重，进行加权平均。社会发展水平隐含的原材料供应风险的表达式如下：

SRHDI=∑Wi×(100-100×HDIi)

(2)

其中，Wi表示原材料的某生产国产量占全球产量的比重，HDIi表示该国的人类发展指数。通过式(2)转化，SRHDI值越高，社会发展水平隐含的供应风险就越高。

② 矿业政策潜力指数(PPI)。由加拿大菲莎研究所发布的矿业政策潜力指数用以衡量矿业监管政策对矿产资源勘探开发的影响，矿业政策透明和稳定程度决定了其对矿业勘探投资的影响，进而影响供应风险。矿业政策潜力指数的分布范围是[0～100]，数值越高表示该国家或地区的政策潜力越高，越能促进原材料的勘探开发。首先，将PPI进行逆向处理，使数值越高，资源的供应风险越高。然后，以原材料生产国占全球生产总额的比重为权重，进行加权平均。矿业政策潜力所隐含的原材料供应风险表达式如下：

SRPPI=∑Wi×(100-PPIi)

(3)

其中，Wi表示原材料的某生产国产量占全球产量的比重，PPIi表示该国的矿业政策潜力指数。通过式(3)转化，SRPPI值越高，矿业监管政策隐含的供应风险就越高。

(3)地缘政治因素。地缘政治因素是影响资源供应能力的另一个重要因素，主要通过政治稳定与无暴力程度和全球供应集中度两个指标衡量该因素对原材料供应风险的影响：

① 政治稳定与无暴力程度(WGI-PV)。一个国家或地区政局的动荡不安，不仅会影响到矿业生产的稳定性，还会影响到矿业的长期发展。根据世界银行发布的世界治理指标中的政治稳定与无暴力程度WGI-PV来对原材料生产国的政治环境进行供应风险的评价。WGI-PV的原始数值在[0～100]之间，数值越大，表示该国家或地区的政治环境越稳定。与HDI、PPI的处理方式相同，先将WGI-PV进行逆向处理，再根据原材料的产量占比进行加权。政治稳定与无暴力程度所隐含的原材料供应风险表达式如下：

SRWGI-PV=∑Wi×(100-WGI-PVi)

(4)

其中，Wi表示原材料生产国产量占全球产量的比重，WGI-PVi表示该国家的政治稳定与无暴力程度。通过式(4)转化，SRWGI-PV值越高，隐含的供应风险就越高。

② 全球供应集中度(HHI)。矿产资源的生产供应若集中在某一个国家或地区，一旦该国家或地区的矿业监管政策、政治局势等条件发生变化，就会对矿产资源的供应产生很大的影响。按照产业组织的研究方法，采用赫芬达尔-赫希曼指数(HHI)对矿产资源的全球供应集中度进行测量。某矿产资源各个国家生产占比平方的总和即是该种矿产资源的全球供应集中度。根据美国司法部指南，市场集中度可以HHI划分为三个等级，低于0.15属于低度集中市场，0.15～0.25属于中度集中市场，高于0.25属于高度集中市场。采用功效系数法对HHI进行转化，如表2所示。

表2　HHI等级划分与基值设定

(5)

最后，通过加权平均法对指标进行汇总，得到各关键原材料的全球供应风险,计算公式如下：

(6)

1.3　风险等级划分

本文参考耶鲁大学、通用公司[25]等的研究，将风险划分为高风险、中高风险、中风险、中低风险和低风险五个等级，如表3所示。

1.4　数据来源

本文数据来源主要是2017年最新公开出版的文献、报告以及政府或其他国际组织的统计数据。其中，原材料的全球及各国家或地区的产量、储

表3　新能源汽车关键原材料的全球供应风险等级

量数据来源于美国地质调查局(USGS)2017年公布的Mineral Commodity Summaries；人类发展指数(HDI)来源于联合国开发计划署发布的报告；矿业政策潜力指数(PPI)由加拿大菲莎研究所获取；世界治理指标(WGI-PV)来自世界银行发布的数据。

1.5　不确定性分析

本文的数据主要来源于美国地调局、联合国环境署、世界银行等机构公开发表的报告和文献资料，个别数据存在缺失情况而根据以往数据推算获得。为检验评估结果的可靠程度，本文借鉴耶鲁大学[24]和杨丹辉等[18]的做法，采用蒙特卡洛法对各影响因素进行不确定性分析。蒙特卡洛方法以概率论与数理统计原理为基础，通过反复进行随机抽样来模拟影响因素的不确定性对供应风险的影响。步骤如下：①首先计算各影响因素的基准标准差并进行标准化处理；②将数据的可靠性设定为五个层次，根据可靠性设置每种原材料的误差倍数，按照不确定性由低到高依次设置为标准差的一倍到五倍；③根据每种原材料的误差倍数和每个影响因素的标准差计算出每种原材料的标准差，再利用软件进行下一步的模拟处理。

2　研究结果

2.1　新能源汽车关键原材料全球供应风险评估

(1)新能源汽车关键原材料全球供应风险结果分析。新能源汽车关键原材料全球供应风险评估结果如表4所示，在新能源汽车23种关键原材料中，锡的供应风险最高，铬、锗次之，锂最低。

表4　新能源汽车关键原材料全球供应风险

注：地质性、技术性及经济性因素下储产比(R/P)表示原始值，即矿产资源的可开采年限，HDI、PPI、WGI-PV、HHI分别表示各个指标的风险值，社会发展水平及监管政策因素风险为HDI和PPI的平均值，地缘政治因素风险为WGI-PV和HHI的平均值。

从地质性、技术性及经济性因素来看，新能源汽车关键原材料储产比所隐含的供应风险最高的是铬，稀土、石墨、锂、镁、硅的风险最低。铬熔点高、质硬、耐腐蚀，是不锈钢及部分特种合金中不可替代的基本元素，90%的铬资源都用于生产不锈钢，并被广泛应用到航空、宇航、汽车及国防工业生产枪炮、火箭等，对军事和国民经济有重要影响。据美国地调局2017年公布数据，铬的全球储量为50000万吨，全球开采总量3040万吨，静态条件下，资源可开采量在16年左右，在新能源汽车23种关键原材料中最低。从未来产业发展趋势来看，航空航天、汽车、国防等工业对铬的需求仍然增长，铬的资源供应潜力仍面临较高风险。锡、金、锌等资源的静态可开采年限也处于较低水平，也面临较高的资源潜力风险。受限于数据的可得性，本文并未对稀土进行轻、重的区分，当前稀缺的是离子吸附性重稀土矿，而轻稀土并不稀缺[18]。因此，所计算数据显示稀土的资源潜力所隐含的供应风险最低。新能源汽车动力电池所需要的稀土、石墨、镁、硅、锂等可开采年限相对较高，资源潜力风险低。

从社会发展水平来看，钴资源全球储量的53.66%分布在刚果(金)，该地区的人类发展指数较低，钴资源的供应存在着很大的风险。从矿业监管政策来看，锡、铬、石墨的矿业潜力政策所隐含的供应风险较高。锡资源主要分布在矿业政策潜力指数相对较高的中国、印度尼西亚、巴西等国家，矿业监管政策不确定性较大，该项隐含的供应风险较高。对于铬、石墨来说，主要产出国是南非、印尼、菲律宾、中国、印度等发展中国家，出口、开采等矿业政策同样面临着很大的不确定性，矿产勘探、投资等稳定性较差，导致铬、镍和石墨的全球供应面临较大的风险。而硒资源的主要生产国是德国和日本，社会发展处于较高水平，因而风险较低。综合考虑社会发展水平和矿业监管政策因素，锡的风险最高，硒的风险最低。

从政治稳定与无暴力程度指标来看，在新能源汽车所需的23种关键原材料中，石墨、的风险最高，硒的风险最低。整体看来，政治稳定与无暴力程度和矿业监管政策对原材料风险的影响基本一致。石墨、锡的生产国主要集中在印度、印尼、中国等发展中国家，WGI-PV值较低，导致供应风险较高。从全球供应集中度来看，83.33%的稀土资源都由中国生产供应导致稀土资源的风险最高，镍、钛等资源较均衡的分散在世界各国而风险最低。综合考虑政治稳定与无暴力程度和全球供应集中度两个指标，稀土的风险最高，钛的风险最低。

(2)新能源汽车关键原材料风险等级评估。如图3所示，从新能源汽车关键原材料全球供应风险等级划分结果可以看出，在新能源汽车所需23种关键原材料中，锡、铬、锗锡这3种资源处于中高风险水平；钴、铟、锌、锰、锆、银、镍、铁、金、铜、镓、硒、铝这13种处于中风险水平；稀土、铂族、石墨、镁、硅、钛、锂这7种处于中低风险水平。

(3)不确定性分析。假设影响原材料供应风险的三个影响因素的数据均服从正态分布，根据每种原材料的标准差和均值，利用Normrnd函数通过10000次迭代产生正态分布的随机数，根据每种原材料的风险模拟结果绘图。图4绘制了新能源汽车23种关键原材料全球供应风险不确定性分析的结果，未出现一种原材料风险波动范围大面积覆盖另一种的情况，评估结果可信度高。

图3　新能源汽车关键原材料全球供应风险等级划分

图4　新能源汽车关键原材料全球供应风险不确定性云图

2.2　进一步情景分析

随着自然资源的生产和消费，大量矿产资源蓄积在产品中，以在用存量或废弃物的形态不断堆积在城市中，形成丰富的城市矿产[26]，且矿产种类越来越丰富。资源的循环性使得城市矿产对资源供给具有重要的乘数效应。对于一单位的任意资源，如果其回收利用率达到90%，则一次循环可增加0.9倍的资源量，二次循环可增加1.7倍的资源量，无限次循环则可增加9倍资源量[27]。因此，城市矿产的循环利用能够降低对原材料的开采需求，提高可开采年限，缓解供应压力，为新能源汽车关键原材料的供给开辟了新的渠道。本部分分析了新能源关键原材料在一次、二次以及无限循环的情景下其全球供应风险的变化，其中回收率采用Graedel研究中的全球平均报废后回收率[28]。

(1)城市矿产循环利用对新能源汽车关键原材料供应风险的调节效应。从整体来看，考虑城市矿产循环利用对供应风险的调节后，新能源汽车关键原材料的全球供应风险发生了一定的变化。不考虑资源循环情景下，新能源汽车关键原材料全球供应风险均值为46.52；一次循环情景下，全球供应风险平均值为44.00，平均降低5.30%；二次循环情景下，全球供应风险平均值为42.57，平均降低8.13%；无限循环情景下，全球供应风险平均值为35.00，平均降低22.66%，如表5所示。

城市矿产循环利用对新能源汽车关键原材料全球供应风险调节效应如图5所示，根据分析，可将调节效应分为三类:

①12种关键原材料调节效应显著。镍、铜、银、锰、钴、铁、锌、金、锡、铬、铝、铂族12种关键原材料的全球平均报废后回收率达75%，原材料的循环利用对可开采年限产生很大影响，调节效应显著，风险显著降低。值得注意的是，铂族和铝两种原材料在一次、二次循环后，可开采年限即超过200年，资源潜力风险已经降低至0，二次循环和无限循环后，尽管可开采年限提高，但风险值维持在中低水平，不再变动。

②6种关键原材料调节效应一般。钛、镓、锆、硒、锗、铟6种关键原材料一、二次循环的调节效应不明显，无限次循环调节效应显著。这六种关键原材料的全球平均报废后回收率只有0.5%，资源一次循环、二次并未对可开采年限产生显著影响。无限次循环后，调节效应产生效果，可开采年限提高，供应风险水平下降。

③5种关键原材料调节效应不显著。稀土、石墨、镁、硅、锂5种关键原材料的风险未发生变动。这5种关键原材料现有可开采年限超过200年，资源潜力风险已达到最低水平0，因此在城市矿产循环利用的调节下，虽然可开采年限进一步提高，但风险值不再发生变动。

表5　城市矿产循环利用情景下新能源汽车关键原材料全球供应风险变化

注：风险变动值 = 考虑资源循环的风险值 - 不考虑资源循环的风险值，风险减小幅度=(不考虑资源循环的风险值 - 考虑资源循环的风险值)/不考虑资源循环的风险值。

图5　城市矿产循环利用对新能源汽车关键原材料全球供应风险的调节效应

(2)新能源汽车关键原材料全球供应风险等级变化。通过城市矿产循环利用对原材料供应风险的调节效应评估结果，可以发现，新能源汽车关键原材料的全球供应风险等级发生了较大变化，中高风险原材料种类减少，中低风险、低风险原材料种类增加，如图6所示。具体来看，一次循环后，铁、铝由中风险降为中低风险；二次循环后，新增铜由中风险降为中低风险；无限循环后，铬、锡由中高风险降为中风险，钴、锌、锰、银、镍、金6种关键原材料由中风险降为中低风险，铜由中低风险降为低风险。

图6　不同情景下新能源汽车关键原材料全球供应风险等级变化

3　结论与建议

3.1　结论

(1)不考虑城市矿产循环利用的情景下，在新能源汽车23种关键原材料中，锡的风险最高，铬、锗、钴的风险依次降低，锂的风险最低。从地质性、技术性及经济性因素看，铬、锡、锌、金、银、铟、锗、镍、铜9种关键原材料供应潜力风险处于较高水平，稀土、石墨、镁、硅、锂5种关键原材料供应潜力风险低。从社会发展水平和监管政策因素看，锡的供应能力风险高，硒的供应能力风险低。从地缘政治因素看，稀土的供应能力风险最高，钛的供应能力风险最低。

(2)在考虑城市矿产循环利用后，新能源汽车23种关键原材料的供应风险呈现出不同程度的降低。从城市矿产循环利用对新能源汽车关键原材料的调节效应看，对镍、铜、银、锰、钴、锌、金、铁、锡、铬、铝、铂族12种关键原材料调节效应显著，钛、镓、锆、硒、锗、铟6种关键原材料调节效应一般，对稀土、石墨、镁、硅、锂5种关键原材料调节效应不显著。从关键原材料供应风险等级看，城市矿产的循环利用使中高风险关键原材料种类由3种减少至1种，中风险关键原材料种类由13种减少至6种。

3.2　建议

(1)建立关键原材料供应风险动态评估机制。应紧盯国际市场技术创新，结合新形势及时调整、开发新能源汽车关键原材料，并进行风险评估。

(2)对新能源汽车关键原材料实行分类管理。考虑到不同原材料的供应风险存在差异，应对其实施差别化管理。对于供应风险较高的原材料，一方面加强地质勘查工作，寻找潜在的资源；另一方面提高资源利用效率，减少浪费；此外还需加强替代材料的研发。而对于目前风险较低的原材料，则应优化资源的长短期配置，确保资源的长期可持续供应。

(3)加强城市矿产开发利用。城市矿产作为关键原材料的重要来源，其循环利用将会缓解关键原材料的供应压力，具有战略性开发价值。建立城市矿产储量数据库，加强城市矿产回收体系建设，提高城市矿产资源化利用率，完善城市矿产开发政策支持体系，以有效降低对原生矿的需求。

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