基于锂资源的电动汽车发展潜力分析

侯良学

（中国石油化工集团有限公司国际合作部，北京 100728）

1 全球锂产业概况

从1923年德国金属公司首次锂商业化生产算起，全球锂产业已经走过了一个世纪，锂的生产方式从单一的矿石提取转为卤水提取为主，应用范围逐渐从润滑脂扩展到核武器、玻璃、陶瓷、电池等众多领域。目前，全球3/4以上的锂及其衍生产品通过盐湖卤水方式生产，锂电池、玻璃与陶瓷分别是锂消费的第一和第二大领域。

据美国地质调查局（USGS）2022年发布的数据[1]，全球已探明锂资源约8 900万吨（折算为金属锂，下同），3/4以上分布在玻利维亚、阿根廷、智利、美国、澳大利亚和中国等6个国家。在已探明的锂资源中，可采储量约占1/4，为2 200万吨，其中的2/3以上集中在智利（42%）和澳大利亚（26%）（见图1）。在生产方面，2021年，全球锂产量约为10.6万吨，澳大利亚（5.5万吨）、智利（2.6万吨）和中国（1.4万吨）是产量最大的3个国家，约占总产量的90%。

图1 2021年主要国家锂可采储量与产量

由于锂极难以游离态存在，含锂产品的制造和锂的国际贸易都以中间产品为载体，常见的是碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂，其中，碳酸锂是使用最广泛的锂中间产品。中国是全球最大的锂产品生产国和消费国，特别是在消费电子产品和电动汽车行业的推动下，中国在锂电池领域遥遥领先，拥有全球锂电池原材料产能的80%、电池产能的77%和电池零部件制造能力的60%。

锂的使用经历了几次转变。二战前后，锂主要被用作航空发动机以及类似产品的高温润滑脂，且主要由美国生产。美苏冷战期间，核武器的生产推动锂需求急剧上升。此后，锂主要用于降低玻璃的熔化温度以及提高氧化铝的熔融特性，这两大应用主导了锂的消费市场并一直持续到20世纪90年代中期。近几年，随着消费电子产品和电动汽车产业迅速发展，锂电池的消费大幅上涨，锂在电池中的应用已成为其主要消费领域。

2 全球电动汽车发展现状

近年来，电动汽车（含纯电动和插电式混合动力汽车，下同）保持逐年快速发展势头，据国际能源署（IEA）统计，2021年全球电动汽车销量翻了一番，达660万辆，约占新车市场的9%，其中，欧洲和中国的电动汽车市场份额都已超过了15%，美国约5%；2022年上半年，全球累计销售电动汽车435万辆，同比增幅超过60%。不过电动汽车在整体汽车市场的占比还较低，截至2021年底，全球汽车保有量超过13亿辆，其中，电动汽车保有量约1 640万辆，占比不到1.3%。

从主要国家和地区看，中国、欧洲和美国是电动汽车发展的主力，在全球电动汽车产销和保有量中的占比都超过了90%。中国是全球电动汽车产销和保有量最大的国家，2021年的电动汽车销售量约350万辆，同比增幅超过150%，在新车销售量中的占比超过15%；电动汽车保有量接近790万辆，约占全国汽车保有总量的2.6%，是全球平均水平的2倍多。欧洲是仅次于中国的全球第二大电动汽车市场，2021年的电动汽车销售量为227万辆，约占当年新车销售总量的18%；截至2021年底，欧洲电动汽车保有量约540万辆，约占全球电动汽车保有总量的1/3。美国电动汽车保有量在2021年首次达到200万辆，同比增加11%，是仅次于中国和欧洲的全球第三大电动汽车市场。

从电动汽车主要类型看，目前全球电动汽车保有量中的纯电动汽车与插电式混合动力汽车的比率约2.2，即电动汽车保有量中的1/3以上是纯电动汽车。不同国家和地区的类型略有差异，中国一直是发展纯电动汽车的主力，目前纯电动汽车与插电式混合动力汽车的保有量比率接近4.0，约80%的电动汽车是纯电动；欧洲纯电动和插电式混合动力汽车保有量比率在1.0左右，目前为1.2；美国介于中国和欧洲之间，目前电动汽车保有量中的纯电动与插电式混合动力汽车之比接近2.0。

从续航方面来看，据IEA数据[2]，截至2021年底，全球新销售纯电动汽车的续航里程平均在350 km，插电式混合动力汽车的纯电续航里程也首次超过了60 km，搭载更大容量的动力电池实现更大程度的减排，是近两年插电式混合动力汽车续航里程显著增加的主要推动因素。

3 电动汽车对锂的需求分析

3.1 锂电池的主要类型

电池、电机、电控是电动汽车的核心系统，其中电池是最核心的部分，在电动汽车整车成本中的占比为40%～60%。目前，应用于电动汽车的动力电池技术路线主要有三大类：锂离子电池、钠离子电池和燃料电池，其中锂离子电池是最成熟、应用最广泛的动力电池。

锂离子电池主要包括三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池等，其中电动汽车使用的主流锂电池是三元锂电池和磷酸铁锂电池。三元锂电池的正极材料以高镍三元锂电池为主，镍元素占比一般在80%以上，又分为镍钴铝酸锂电池（NCA）和镍钴锰酸锂电池（NCM）两类，其中，特斯拉使用的主要是NCA三元锂电池，其21700NCA电池拥有目前全球最高的能量密度，接近300 Wh/kg[3]；国产电动汽车生产商普遍采用钴用量较少、成本较低的NCM三元锂电池，811NCM是国内三元锂电池的主流。磷酸铁锂电池的正极材料为磷酸铁锂，具有安全性高、可循环次数多的优点，同时其自重大、能量密度较低，但成本明显低于三元锂电池，有助于降低整车成本，正被越来越多的电动汽车生产商接受，是目前国内主流动力电池类型之一，比亚迪的刀片电池是其典型代表。除正极材料外，组成电动汽车所用的动力电池还需要负极材料（石墨）、电解液、隔膜、集流体等，三元锂电池和磷酸铁锂电池的这些部分基本相同。总体而言，三元锂电池性能占优，磷酸铁锂电池安全性和成本占优[4-5]。

3.2 动力电池对锂的需求分析

无论是三元锂电池还是磷酸铁锂电池，锂都是不可或缺的核心材料，但不同类型电池的锂用量有所差异，主要取决于正极材料构成（见表1）及正极材料在整个电池中所占的比例。据目前检索到的公开资料，正极材料在动力电池单体中的质量占比为20%～50%，且大部分占比在30%以上，为了估算方便，在下文计算中统一取35%。

表1 主流动力电池的主要参数

就松下18650电池而言，根据正极材料化学式LiNi0.8Co0.15Al0.05O2以及各元素的分子量，可以计算出锂在正极材料中的占比百分比为7.3%。按44 g的单体质量、35%的正极材料占比和11.2 Wh的能量参数估算，生产一节18650电池的锂用量为1.1g，单位电量的锂用量为0.1 kg/kWh。据材料显示，纯电动汽车百公里耗电量平均15 kWh，假设插电式混合动力汽车的能耗（纯电状态下）与纯电动汽车相同，结合前文纯电动汽车350 km、插电式混合动力汽车60 km的平均续航水平，一辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车的电池电量平均分别为52.5 kWh和9.0 kWh，据此可估算出在使用18650锂电池情况下的单车锂用量分别为5.3 kg和0.9 kg。按照相同思路，可以估算出单体特斯拉21700电池的锂用量为1.87 g，单位电量的锂用量为0.11 kg/kWh，与松下18650电池大体相近。就NCM811电池而言，在与上述相同的条件下，单个电池的锂用量约1.89 g，单位电量的锂用量为0.13 kg/kWh，单辆电动汽车的锂用量为6.80 kg（纯电动汽车）和1.17 kg（插电式混合动力汽车）；单个磷酸铁锂电池的锂用量为9.24 g，单位电量的锂用量为0.12 kg/kWh，单辆电动汽车的锂用量分别为6.30 kg（纯电动汽车）和1.08 kg（插电式混合动力汽车）。

综合上述估算结果，虽然不同的锂电池在具体组成和工艺上有所差别，且因单体重量差异导致单个电池的锂用量不同，但单位电量的锂用量相差并不明显，在0.10～0.13 kg/kWh。为后续计算方便，统一取0.12 kg/kWh，由此估算按照当前平均水平，每生产一辆纯电动汽车需要消耗锂6.3 kg，每生产一辆插电式混合动力汽车需要消耗锂1.08 kg。截至2021年底，全球共有电动汽车约1 640万辆，按照纯电动汽车占2/3、插电式混合动力汽车占1/3估算，共消耗锂7.5万吨。2021年，全球共销售电动汽车660万辆，纯电动汽车与插电式混合动力汽车销量比约2.3，照此估算，2021年电动汽车动力电池共消耗锂3.1万吨，约占当年锂产量的30%。

4 基于哈伯特模型的全球锂产量预测

与油气、煤炭等化石能源一样，锂也属于不可再生的矿产资源，对于这类资源的供应潜力或产量预测的方法主要有以储采比为代表的静态法和以哈伯特模型为代表的动态法。储采比可以基于矿产资源的探明储量和特定时间点的产量来估算其生产年限，是矿产资源行业趋势性预测中的常用方法，主要用于对可耗竭型资源的可供性风险进行早期预警，当储采比低于某一水平时，需要考虑技术、政策调整或转型措施。哈伯特模型是一种基于历史产量和储量、资源量预测未来产量曲线的动态模型法，很多研究人员利用该方法评价油气以及其他矿产资源的产量达峰时间和进行产量预测。本文以USGS和BP公司对1995年以来全球锂产量的统计数据为基础，利用哈伯特模型法对全球锂产量进行预测[6-10]。

典型的哈伯特模型公式包括某一时间点的产量与累计产量，分别表示为：

式中，q为第t年的产量，万吨；Q为到第t年的累计产量，万吨；t为生产时间；a、b为模型常数，需要求解；R为最终可采量，万吨。

4.1 模型参数的确定

虽然锂的商业生产始于1923年，但直到二战后才开始快速增长，目前能获得的连续性最好的数据是BP能源统计数据，最早追溯至1995年。因此，本文将1995年设置为锂生产的起点，即1995年对应的t＝1。结合其他文献数据，1995年前，全球已累计生产锂23.4万吨。

将式（1）和式（2）组合转换得到：

由此可知，当年产量与累计产量之比与累计产量表现为线性关系，其截距为模型常数a，斜率的绝对值为a与R之比。据1995年以来的历史数据，利用趋势拟合法确定两者的线性关系为：

根据式（4）可以确定a值为0.116 2，R为2 234万吨。此最终可采量数据与USGS 2022年评估的全球2 200万吨锂可采储量大体相当，表明拟合结果具有一定的可靠性。

根据式（2）进行变形推导可得：

4.2 全球锂产量预测

将前文确定的a、b和R分别代入式（1）和式（2），可以得本次用于预测的哈伯特模型公式：

取1995年为起始年（t＝1）、对应的累计产量为24.35万吨，可以计算此后各年所对应的产量和累计产量。结果显示，全球锂产量将在2040年左右达到峰值，约55万吨。未来部分时间的产量、累计产量预测及与实际数据对比见图2、图3。

图2 1995年以来全球锂产量及预测

图3 1995年以来全球累计锂产量及预测

5 基于锂资源的电动汽车发展潜力分析

据预测，2022年全球锂需求将增加40%，但供应增量只有24%，考虑到锂矿投产周期性，短期内全球很可能出现锂供应紧张、锂价大幅上涨局面。

5.1 电动汽车发展前景

2010年以来，全球电动汽车呈连年快速增长态势，电动汽车保有量在2016年首次达到200万辆大关后，以每年一个台阶的速度发展。IEA在《全球电动汽车展望2022》中预计，到2030年，全球电动车保有量将达1.45亿辆，年销量将超过3 000万辆；如果各国政府加速推进能源转型，2030年的全球电动汽车保有量可能会进一步增加，至2.5亿辆以上，年销量会接近5 000万辆；如果要实现2050年前净零排放的气候目标，到2030年，电动汽车保有量将超过3.5亿辆，年销量需要达到6 500万辆以上。彭博新能源财经（BNEF）发布的《2021年新能源市场长期展望报告》认为，至少在未来10年内，全球汽车保有量将继续保持增长，2039年将达到创纪录的16亿辆，全球汽车年销量将在2036年达到峰值，约为9 800万辆；要想将全球温升控制在2℃以下，到2030年，全球汽车行业的电动化率要达到62%，电动汽车保有量需要达到3.55亿辆，电动汽车年销量要达到7 400万辆，是目前年销量水平的10倍以上。特斯拉CEO马斯克2022年8月底在挪威的ONS大会上表示，到2030年，近1/2的汽车将是电动汽车。按目前全球每年近1亿辆的汽车销量估算，届时电动汽车销量将达到约5 000万辆的水平[11-12]。

5.2 锂资源与电动汽车发展潜力

从目前的趋势来看，电动汽车正从中小型乘用车向中大型乘用车和重型商用车发展，续航里程也在不断增加，动力电池成本也已从2010年的约1 200美元/kWh降至2020年的137美元/kWh，但从实际能量密度的角度看提升程度比较有限，近10年的年均提高幅度只有3%左右，这意味着动力电池单位电量的耗锂量相对稳定。为定量估算未来锂产量能够支撑多大的电动汽车市场，设定如下假设前提：2030年前，新产纯电动汽车的续航里程平均为400 km、插电式混合动力汽车的续航里程平均为100 km，全球锂产量中的30%用于电动汽车；2030年后，新产纯电动汽车的续航里程平均为600 km、插电式混合动力汽车的续航里程平均为200 km，全球锂产量中的50%用于电动汽车；百公里用电量保持15 kWh；单位电量的锂用量均为0.12 kg/kWh。

照此估算，在不考虑回收利用的情况下，到2030年，全球可用于生产电动汽车的锂资源为11万吨，如果全部用于纯电动汽车或插电式混合动力汽车，分别可生产约1 600万辆或6 600万辆；如果按照纯电动汽车与插电式混合动力汽车2.5∶1.0的比例生产，可以生产约2 900万辆，与IEA预计的最低情况下的电动汽车年销量水平大体相当，远低于IEA的其他两种情景中5 000万辆和6 500万辆的水平，也达不到BNEF所预期的7 400万辆和马斯克认为的5 000万辆。到2040年，全球锂产量达到峰值时，可生产约2 500万辆纯电动汽车或4 600万辆插电式混合动力汽车，如果按照纯电动汽车与插电式混合动力汽车3∶1的比例生产，可以生产约3 100万辆。从资源总量角度看，在全球2 234万吨的锂资源最终可采资源的基础上，如果其中的50%用于生产电动汽车，可以分别生产纯电动汽车约10.3亿辆和插电式混合动力汽车31.0亿辆，按照纯电动汽车与插电式混合动力汽车3∶1的比例，可以生产电动汽车12.4亿辆，低于目前全球的汽车保有总量水平。

6 结语

当前的锂资源很可能难以满足电动汽车发展的需求，而且随着可再生能源持续发展，用于储能的锂需求量也会快速增加，形成与电动汽车竞争资源的局面，需要从资源回收与阶梯利用和材料替代两方面解决。在动力电池回收、拆解与再利用方面，电动汽车退役电池仍具备较高的可用容量，其包含的镍、钴、锰等金属材料在资源稀缺的形势下具有较高的回收价值，开展退役电池梯次和再生利用对动力电池全生命周期价值释放和产业可持续发展具有积极意义，应尽快形成统一规范的动力电池回收、拆解和再利用市场。在材料替代方面，近年来，很多学者在替代锂离子电池方面进行了大量研究，目前，镁离子电池和钠离子电池相对进展较大，而且镁和钠资源的丰富程度远超过锂，应该持续加大研发力度，避免使锂资源成为限制电动汽车发展的短板。