近年來，人們越來越關(guān)注鈷等關(guān)鍵電池材料潛在的供應(yīng)風險。雖然電池技術(shù)和回收利用進步是解決此類供應(yīng)需求的兩個廣為人知的策略，但它們能夠在多大程度上能夠緩解全球性和區(qū)域性鈷的供需失衡問題仍然知之甚少。
鑒于此，中南大學朱學紅研究員，南丹麥大學劉剛教授和中國地質(zhì)科學院代濤副研究員等人通過模擬以往20年數(shù)據(jù)（1998-2019年）和未來30年（2020-2050年）全球（包括中國、美國、日本、歐盟和其他國家）在傳統(tǒng)和新興鈷用途，來彌補這一空白。本文首先描述了從1998年（鈷的使用開始進入市場）到2019年（可獲得的最新數(shù)據(jù)）的全球和區(qū)域鈷循環(huán)，然后采用前瞻性的庫存驅(qū)動方法探索截至2050年各地區(qū)最終用途的鈷需求和二次供應(yīng)潛力。
研究表明，從長遠來看，無鈷電池和回收進展確實可以明顯緩解鈷供應(yīng)風險；然而，由于全球汽車電氣化的雄心，即使在最樂觀的情況下，2028年至2033年之間的鈷短缺似乎也是不可避免的。本文的結(jié)果揭示了未來鈷供需平衡和供應(yīng)安全水平的明顯區(qū)域差異，并表明增加初級鈷供應(yīng)以確保全球電動汽車健康發(fā)展的緊迫性的重要性。
相關(guān)論文以“Battery technology and recycling alone will not save the electric mobility transition from future cobalt shortages”為題發(fā)表在Nature Commun.。
盡管可再生能源和低碳技術(shù)轉(zhuǎn)型對于實現(xiàn)許多國家的“碳中和”目標和 COVID-19后的綠色復(fù)蘇雄心是必不可少的，但此類轉(zhuǎn)型需要各種類型和大量的關(guān)鍵材料（例如用于磁鐵的稀土，用于催化劑的鉑，用于電池的鋰）。尤其是電池技術(shù)從根本上依賴于鋰、鈷和鎳等關(guān)鍵材料，在可再生能源存儲和汽車電氣化中不可或缺。由于潛在的地緣政治供應(yīng)風險和可再生能源轉(zhuǎn)型的重要性，鋰和鈷都被美國、中國、歐盟、日本和澳大利亞等主要經(jīng)濟體視為關(guān)鍵材料。因此，了解對此類關(guān)鍵材料的需求并探索潛在供應(yīng)需求的緩解策略對于確保綠色和低碳未來至關(guān)重要。
解決此類供應(yīng)風險的兩個最廣泛討論的策略是電池技術(shù)的發(fā)展和回收的進步。事實上，隨著鈷價格的波動（例如，從2016年到2018年上漲了兩倍）以及對剛果民主共和國鈷開采的環(huán)境和社會擔憂有所增加，近年來含鈷甚至不含鈷的電池被開發(fā)出來。當更多的電動汽車和電池達到使用壽命（EoL）時，通過回收提供二次鈷對于補充一次供應(yīng)至關(guān)重要。關(guān)于全球和國家鈷材料流動、貿(mào)易聯(lián)系、需求預(yù)測和回收潛力（主要是鋰離子電池）的文獻越來越多。然而，電池和回收技術(shù)的進步將在多大程度上緩解全球和區(qū)域鈷的供需失衡，特別是考慮到世界不同地區(qū)的時空變化，仍然知之甚少。
全球人為驅(qū)動的鈷循環(huán)包括五個轉(zhuǎn)化過程：采礦、精煉、制造、使用以及廢物管理和回收（圖 1）。研究結(jié)果表明，電池技術(shù)創(chuàng)新，尤其是無鈷技術(shù)，可以明顯緩解鈷供應(yīng)風險。面對昂貴的鈷和地緣政治供應(yīng)風險，許多電池生產(chǎn)商已經(jīng)優(yōu)先考慮降低鋰離子電池中的鈷含量并生產(chǎn)NMC811。然而，由于電動汽車市場的快速擴張和電池容量的增加，如果一次供應(yīng)僅遵循公布的預(yù)定開采計劃，未來鈷短缺將不可避免。
低鈷電池正極技術(shù)的發(fā)展可以緩解但不能預(yù)防供應(yīng)危機。盡管無鈷LFP技術(shù)已在2020年進入市場，預(yù)計到2030年下一代無鈷電池技術(shù)將實現(xiàn)商業(yè)化，但這種供需缺口仍將在2028-2033年左右出現(xiàn)。同時，LFP和即將推出的（Li-O2、Li-S和SSB）無鈷技術(shù)仍可分別將鈷累積需求減少62%和41%。通過技術(shù)創(chuàng)新延長電池壽命是緩解鈷供應(yīng)壓力的又一有效措施。研究結(jié)果表明，將電池壽命延長一倍將使鈷需求幾乎減半。
因此，電池技術(shù)對于緩解潛在的鈷短缺至關(guān)重要，進一步加快各種脫鈷電池技術(shù)，特別是無鈷技術(shù)的研究和市場滲透。鑒于中短期（2028-2033 年）鈷供應(yīng)短缺，進一步加速新型磷酸鐵鋰電池技術(shù)可能是最有效的治療方法。然而，由于LFP正極的低能量密度制約了其發(fā)展。
圖1：全球人為鈷循環(huán)的系統(tǒng)定義和鈷需求和二次供應(yīng)潛力的建模框架
鈷回收是補充主要供應(yīng)的重要策略。在各種情況下，二次鈷的可用性不斷增加，這表明在未來，特別是從長期來看，回收利用以緩解初級資源壓力的潛力很大。首先，對目前回收率較低的產(chǎn)品進行進一步的回收技術(shù)開發(fā)，對于利用城市采礦日益增長的潛力至關(guān)重要，可以通過進一步開發(fā)和浸出再生濕法冶金的應(yīng)用來緩解。其次，應(yīng)進一步推廣生產(chǎn)者責任延伸制度和再制造、再利用和回收設(shè)計，以促進制造商之間的閉環(huán)回收利用。第三，利用互聯(lián)網(wǎng)+、綜合物流網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)平臺等新興信息技術(shù)，構(gòu)建更好的社會收集和回收體系，減少EoL損失，將消費者與合格的回收商、物流公司、加工公司和生產(chǎn)商聯(lián)系起來，促進線上和線下的互動。最后，應(yīng)制定相關(guān)法規(guī)和行業(yè)標準，以吸引更多的回收行業(yè)投資，并為企業(yè)特別是中小企業(yè)提供政策支持，以確保在面臨技術(shù)進步和不斷增加的財務(wù)成本時確?；厥湛尚小?/span>
圖2：1998-2019年全球和區(qū)域規(guī)模的歷史鈷庫存和流動
同時，初級供應(yīng)對于確保未來鈷供需平衡是必要且重要的，尤其是在中短期內(nèi)。本文結(jié)果表明，迫切需要增加一次供應(yīng)來彌補僅靠電池技術(shù)和回收進展無法完全填補的鈷供需缺口。因此，加強鈷礦勘探、利用先進開采技術(shù)實現(xiàn)深海開采、提高礦石開采、冶煉和精煉效率，都可以進一步增加一次供應(yīng)。盡管一次供應(yīng)很重要，但在增加一次鈷供應(yīng)方面仍然存在一些關(guān)鍵的不確定性和挑戰(zhàn)。
首先，鈷礦生產(chǎn)在經(jīng)濟上容易受到短期價格波動和生產(chǎn)成本上升的影響。其次，從發(fā)現(xiàn)未發(fā)現(xiàn)礦床到開采第一塊礦石通常需要十多年的時間，時間滯后使得中短期內(nèi)難以解決全球和區(qū)域供需失衡的問題。第三，94%的鈷生產(chǎn)伴隨著銅或鎳礦石作為副產(chǎn)品，因此鈷與這兩種金屬的產(chǎn)量和價格波動密切相關(guān)。第四，由于特定鈷礦的大量開采，鈷的礦石質(zhì)量下降不可避免，這將增加鈷的生產(chǎn)成本（經(jīng)濟、社會和環(huán)境），并在一定程度上影響鈷的生產(chǎn)。最后，鈷的一次供應(yīng)面臨各種類型的地緣差別（例如生產(chǎn)國的內(nèi)戰(zhàn)和不穩(wěn)定的政府體系）和供應(yīng)鏈風險。
圖3：七種情景下的全球鈷需求（正值）、廢料產(chǎn)生量（負值）和總供應(yīng)量（初級+次級）
預(yù)計中國未來的鈷消費量將比任何其他地區(qū)都多，這主要是由于其國內(nèi)電動汽車市場的蓬勃發(fā)展和未來電池產(chǎn)能的擴大。2019 年，中國鈷儲量僅為80 kt，但占全球鈷精煉產(chǎn)量的67%，這導(dǎo)致其對海外一次鈷資源的依賴程度很高。盡管表明中國可以在最樂觀的情況下確保其鈷供需平衡，但其供應(yīng)風險仍將相當高。
因此，降低鈷供應(yīng)風險既需要保障鈷進口渠道的多元化，也需要產(chǎn)業(yè)政策、城市采礦和電池技術(shù)創(chuàng)新的系統(tǒng)規(guī)劃。歐盟和美國的鈷供應(yīng)安全水平相對較高。他們一方面通過外包電池生產(chǎn)將部分鈷供應(yīng)壓力轉(zhuǎn)移到中國和日本，另一方面將大部分海外鈷礦生產(chǎn)控制在其礦業(yè)巨頭手中。日本對鈷的需求遠低于其他地區(qū)，但由于國內(nèi)鈷儲量和海外儲量有限，導(dǎo)致日本的供應(yīng)風險相對較高。在這方面，日本建立以氫氣為中心，意味著在交通系統(tǒng)中使用燃料電池汽車（無鈷汽車）而不是 BEV和PHEV，這可以明顯降低對鈷的依賴并減少潛在供應(yīng)某種程度的短缺。
圖4：七種選定情景下的預(yù)期累計初級需求、國內(nèi)和總儲備以及相應(yīng)的供應(yīng)安全水平
綜述所述，本文主要研究了電池和回收技術(shù)進步在多大程度上可以緩解未來幾十年全球和區(qū)域鈷的供需失衡。首先，現(xiàn)有的電動汽車包括PEV和EB，而未明確考慮HEV、電動自行車和電動卡車。其次，電池壽命設(shè)置為PEV壽命的一半或相同；未來可以通過考慮電池健康狀態(tài)和實時建模來進一步改進該指標。第三，除回收利用之外的EoL管理和循環(huán)經(jīng)濟策略，例如再制造和再利用以保持電網(wǎng)穩(wěn)定或儲能，未來需要進一步討論。盡管如此，本文的結(jié)果仍然為全球和區(qū)域歷史和未來鈷循環(huán)利用的特征以及技術(shù)創(chuàng)新，在解決供需失衡中的作用提供了強有力的結(jié)論。中短期內(nèi)不可避免的供應(yīng)短缺需要多方利益相關(guān)者、技術(shù)和相關(guān)措施配合，并共同努力增加初級供應(yīng)并促進技術(shù)創(chuàng)新，以確保未來的綠色轉(zhuǎn)型。
Battery technology and recycling alone will not save the electric mobility transition from future cobalt shortages，Nature Commun.，2022，
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29022-z
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