中國新能源汽車生產(chǎn)端鋰消費(fèi)的測(cè)算

鄭林昌，張亞楠，吳錦霞

(河北大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 保定 071002)

0 引 言

鋰作為最輕的金屬，是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的重要金屬，被廣泛用于電池、潤滑脂、玻璃和陶瓷等行業(yè)。近年來，隨著新能源汽車以及其他行業(yè)對(duì)鋰消費(fèi)的快速增加，2012年全球鋰鹽供應(yīng)量14.48萬t(LCE)，到2018年鋰鹽供應(yīng)量增長到27.68萬t(LCE)，期間年均增速11.4%。鋰資源儲(chǔ)量集中分布特點(diǎn)明顯，全球鋰儲(chǔ)量估計(jì)1 400 Mt[1]，資源集中分布在南非、澳大利亞、中國等國家。2018年，全球碳酸鋰(除中國外)主要產(chǎn)能集中在智利的SQM公司和美國的FMC公司、Albemarle公司、Orocobre公司，四家公司產(chǎn)量占全球的42%左右[2]。鋰資源有限供給和需求快速增長引起了全球的重視，美國、歐盟等制定了關(guān)鍵礦產(chǎn)資源清單及其應(yīng)對(duì)措施[3]，如2018年5月，美國地質(zhì)調(diào)查局公布了35種“關(guān)鍵礦物”商品的清單，鋰位列其中；2020年9月，歐盟公布的最新修訂的關(guān)鍵礦產(chǎn)資源清單中，新增了鋰、鍶、鈦和鋁土礦。為緩解汽車消費(fèi)與資源壓力、環(huán)境問題之間的關(guān)系，近年來中國加大了新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持力度。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2012年中國新能源汽車產(chǎn)量只有1.26萬輛，到2019年產(chǎn)量已經(jīng)增加到124.2萬輛，產(chǎn)量年均增速108%。在新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速增長的帶動(dòng)下，中國電池領(lǐng)域的鋰消費(fèi)由2012年的2.5萬t增加到2019年的9.9萬t，成為全球最大的鋰消費(fèi)國家，期間鋰消費(fèi)年均增速近26%。雖然中國是鋰儲(chǔ)量大國，但鋰資源開發(fā)難度大，其供需面臨著更大的壓力[4]。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，2025年中國新能源汽車新車銷售量要達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右，實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)進(jìn)一步堅(jiān)定了中國新能源汽車發(fā)展藍(lán)圖，屆時(shí)新能源汽車對(duì)鋰資源消費(fèi)量將進(jìn)一步增加[5]。

為保障關(guān)鍵礦產(chǎn)資源安全供給，積極應(yīng)對(duì)新能源汽車快速發(fā)展帶來關(guān)鍵礦產(chǎn)資源消費(fèi)，歐洲咨詢委員會(huì)、歐盟委員會(huì)、美國商務(wù)部等機(jī)構(gòu)分別對(duì)全球和重點(diǎn)國家(地區(qū))未來鋰、鈷、鎳以及稀土等關(guān)鍵礦產(chǎn)的消費(fèi)進(jìn)行了評(píng)估[6]，通過考察鋰供給風(fēng)險(xiǎn)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等對(duì)國家(地區(qū))鋰資源的安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)[7]。新能源汽車是鋰消費(fèi)的重點(diǎn)領(lǐng)域，學(xué)者們依據(jù)不同類型新能源汽車的鋰消費(fèi)對(duì)未來鋰消費(fèi)進(jìn)行了測(cè)算[8-10]。GAINES等[11-12]提供了鋰電池性能和材料構(gòu)成等信息，為后續(xù)鋰電池鋰消費(fèi)測(cè)算奠定了基礎(chǔ)，但其測(cè)算的鋰電池及其設(shè)定的新能源汽車類型已與當(dāng)前有了很大差別。GUILLAUME等[13]、HAO等[14]則利用物質(zhì)流分析方法對(duì)鋰物質(zhì)流進(jìn)行了測(cè)算，并提供了不同類型新能源汽車、鋰電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)信息，成為認(rèn)識(shí)新能源汽車鋰消費(fèi)的又一重要參考，但測(cè)算均屬于局部測(cè)算和靜態(tài)測(cè)算，新能源汽車鋰電池鋰消費(fèi)僅為鋰物質(zhì)流測(cè)算的一部分，測(cè)算相對(duì)較粗，且并未考察技術(shù)進(jìn)步下鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)強(qiáng)度的變化。部分成果是利用新能源汽車消費(fèi)預(yù)測(cè)和設(shè)定單位車輛鋰含量來實(shí)現(xiàn)的，如文博杰等[15]以特斯拉為例，設(shè)定一輛新能源汽車用量在50～70 kg(LCE鋰)之間，英國地質(zhì)調(diào)查報(bào)告顯示，英國插電式電動(dòng)汽車每輛需要消耗0.8～2 kg(LCE鋰)，純電動(dòng)汽車需要消耗8～40 kg(LCE鋰)。從新能源汽車鋰電池全生命周期角度看，盡管鋰電池回收再利用的前途仍十分不明朗，但鋰電池回收再利用仍可能是新能源汽車鋰資源供給的重要渠道，新能源汽車鋰回收潛力也有大量研究成果[16-17]。近年來，全球鋰電池生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步較快，鋰電池已經(jīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，同時(shí)新能源乘用車、客車?yán)m(xù)駛里程增長明顯，車輛對(duì)鋰的消費(fèi)量相應(yīng)增加，成為影響未來新能源汽車鋰消費(fèi)的重要因素。為此，本文根據(jù)已有研究成果，在考察不同類型新能源汽車儲(chǔ)電量、不同類型鋰電池鋰消費(fèi)強(qiáng)度及其變化的基礎(chǔ)上，測(cè)算中國新能源汽車生產(chǎn)端的鋰消費(fèi)規(guī)模、結(jié)構(gòu)及其變化。

1 研究范圍和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究范圍

按照新能源汽車使用動(dòng)力燃料的不同，新能源汽車有電動(dòng)汽車、氣體燃料汽車、生物燃料汽車、氫燃料汽車和其他新能源汽車等之分，其中電動(dòng)汽車又可分為純電動(dòng)車(BEV，包括太陽能汽車)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)和燃料電池電動(dòng)車(FCEV)。當(dāng)前中國新能源汽車主要是純電動(dòng)車和混合動(dòng)力汽車，而兩類車型裝配電池又主要是鋰離子動(dòng)力電池，因此，本文利用鋰電動(dòng)力新能源汽車來代表新能源汽車，新能源汽車由插電式混合混合動(dòng)力乘用車(PHEPV)、插電式混合動(dòng)力客車(PHECV)、插電式混合動(dòng)力專用車(PHESV)、純電動(dòng)乘用車(BEPV)、純電動(dòng)客車(BECV)、純電動(dòng)專用車(BESV)和燃料電池汽車組成，鋰電池由磷酸鐵鋰(LFP)、錳酸鋰(LMO)、鈷酸鋰(LCO)和三元材料(NMC)電池組成(1)非插電式混合動(dòng)力汽車不列為新能源汽車，鑒于目前中國三元材料電池多為NMC電池，利用NMC代表三元材料電池。。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

鋰離子電池單體、總成以及新能源汽車生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自于2011—2020年《節(jié)能與新能源汽車年鑒》?！豆?jié)能與新能源汽車年鑒》中并非每條新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)信息均有儲(chǔ)能數(shù)據(jù)，依據(jù)工業(yè)和信息化部、國家稅務(wù)總局公示的《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》各批次公告和財(cái)政部、國家稅務(wù)總局、工業(yè)和信息化部公示的《享受車船稅減免優(yōu)惠的節(jié)約能源使用新能源汽車車型目錄》各批次公告中各類型車輛技術(shù)指標(biāo)對(duì)《節(jié)能與新能源汽車年鑒》中車輛技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充。鋰資源生產(chǎn)、消費(fèi)數(shù)據(jù)為上海有色金屬網(wǎng)提供數(shù)據(jù)，新能源汽車和鋰電池進(jìn)出口數(shù)據(jù)來源中國海關(guān)。

2 新能源汽車產(chǎn)量

盡管2019年中國新能源汽車產(chǎn)量有所下降，但產(chǎn)量仍達(dá)到117萬輛，而2010年產(chǎn)量僅有2 600多輛，期間產(chǎn)量年均增速97%。純電動(dòng)乘用車、插電式混合動(dòng)力乘用車是新能源汽車的主力，2019年兩類車型車輛產(chǎn)量分別為83.95萬輛和17.92萬輛，占新能源汽車產(chǎn)量的71.64%和15.29%，純電動(dòng)客車和專用車的產(chǎn)量緊隨其后，產(chǎn)量分別有7.30萬輛和7.16萬輛，其他類型新能源汽車產(chǎn)量很小。從動(dòng)態(tài)變化看，純電動(dòng)乘用車、插電式混合動(dòng)力乘用車的產(chǎn)量一直保持持續(xù)快速增長態(tài)勢(shì)(2019年插電式混合動(dòng)力乘用車產(chǎn)量除外)。隨著新能源汽車在城市公交、物流車等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，部分地區(qū)城市公交、物流車等領(lǐng)域新能源汽車消費(fèi)量已接近飽和。受此影響，2010—2019年純電動(dòng)客車的產(chǎn)量及其所占總體比例有先下降后上升再下降的特征；2017年成為純電動(dòng)專用車產(chǎn)量的拐點(diǎn)，2017年之前產(chǎn)量一直持續(xù)增長，之后產(chǎn)量連續(xù)下降；插電式混合動(dòng)力客車產(chǎn)量則在2016年之后連續(xù)下降(圖1)。

圖1 2010—2019年新能源汽車產(chǎn)量

3 新能源汽車儲(chǔ)電量測(cè)算

3.1 單位車輛儲(chǔ)電量的測(cè)算

3.1.1 測(cè)算模型

采用“自下而上”的方法測(cè)算各類型車輛儲(chǔ)電量，即根據(jù)所有新能源汽車及其動(dòng)力電池生產(chǎn)數(shù)據(jù)測(cè)算出各類型新能源汽車的平均儲(chǔ)電量。根據(jù)車輛儲(chǔ)能和車輛生產(chǎn)規(guī)模，設(shè)計(jì)各類型新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量測(cè)算模型，見式(1)。

m=PHEPV,PHECV,PHESV,BEPV,

BEVV,BESV,FCEV

(1)

同理，按裝配動(dòng)力電池類型不同，設(shè)計(jì)各類型新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量測(cè)算模型，見式(2)。

b=LFP,LMO,LCO,NMC

(2)

3.1.2 測(cè)算數(shù)據(jù)選擇和技術(shù)處理

收集數(shù)據(jù)并非每條數(shù)據(jù)均有車輛儲(chǔ)能數(shù)據(jù)，為增強(qiáng)測(cè)算結(jié)果的可信性、科學(xué)性，對(duì)樣本量較少的數(shù)據(jù)(有儲(chǔ)能數(shù)據(jù)的樣本數(shù)占總體樣本比例小于80%)或車輛數(shù)較少的數(shù)據(jù)(車輛數(shù)少于1 000輛、有儲(chǔ)能數(shù)據(jù)車輛數(shù)占總體車輛數(shù)的比例小于80%)不予采用。不管是基于新能源汽車整車數(shù)據(jù)，還是基于裝配動(dòng)力電池新能源汽車數(shù)據(jù)，部分測(cè)算年度的新能源汽車單位車輛儲(chǔ)能結(jié)果可能被刪除。為此，對(duì)篩選后的基于新能源汽車整車數(shù)據(jù)和基于裝配動(dòng)力電池新能源汽車數(shù)據(jù)的測(cè)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，取篩選后的測(cè)算值為最終新能源汽車單位車輛儲(chǔ)能，對(duì)仍有空缺值，按照年均均值或年均均速變化(年均遞增、年均遞減)插值處理。

3.1.3 測(cè)算結(jié)果

根據(jù)式(1)和式(2)可測(cè)算各類型新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量。純電動(dòng)客車的單位車輛儲(chǔ)電量明顯高于其他類型車輛，總體表現(xiàn)出先下降后上升的特征，2019年平均每輛純電動(dòng)客車儲(chǔ)電量多達(dá)194.61 kW·h；純電動(dòng)專用車和乘用車的單位車輛儲(chǔ)電量緊隨其后，總體都呈現(xiàn)逐步增加的特征，2019年平均每輛純電動(dòng)專用車和乘用車的儲(chǔ)電量為74.61 kW·h、47.15 kW·h；插電式混合動(dòng)力乘用車的單位車輛儲(chǔ)電量最少，且近年有小幅減少的特征，插電式混合動(dòng)力客車的單位車輛儲(chǔ)電量則一直持續(xù)增加，2019年平均每輛插電式混合動(dòng)力乘用車和客車的儲(chǔ)電量分別為13.67 kW·h、46.45 kW·h(圖2)。由于磷酸鐵鋰電池相對(duì)穩(wěn)定，新能源客車裝配電池多為磷酸鐵鋰電池，三元材料電池具有較高的能量密度比，所以三元材料電池多裝配在新能源乘用車上。受此影響，裝配磷酸鐵鋰電池的新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量要多，裝配三元材料電池的新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量要少，2019年裝配磷酸鐵鋰、三元材料電池的新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量分別為115.03 kW·h、41.62 kW·h，裝配鈦酸鋰、錳酸鋰電池的新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量分別88.25 kW·h、64.71 kW·h(圖3)。

圖2 2012—2019年按車輛類型劃分新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量

圖3 2012—2019年按電池類型劃分新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量

3.2 新能源汽車儲(chǔ)電量的測(cè)算

采用“自上而下”的方法，根據(jù)單位車輛儲(chǔ)電量測(cè)算結(jié)果和各類型新能源汽車產(chǎn)量規(guī)模，測(cè)算各類型新能源汽車的儲(chǔ)電量。

3.2.1 測(cè)算公式

依據(jù)新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量和車輛規(guī)?？蓽y(cè)算出各類型新能源汽車的儲(chǔ)電量，見式(3)。

m=PHEPV,PHECV,PHESV,BEPV,

BEVV,BESV,FCEV

(3)

同理，依據(jù)新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量和車輛規(guī)模可以測(cè)算出裝配各類型鋰電池的新能源汽車儲(chǔ)電量，見式(4)。

b=LFP,LMO,LCO,NMC

(4)

依據(jù)新能源汽車整車數(shù)據(jù)和各類型鋰電動(dòng)力電池配套車輛數(shù)據(jù)，可折算出配套不同類型新能源汽車的數(shù)量，結(jié)合裝配各類型鋰電池的新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量可測(cè)算出按照鋰電池類型、車輛類型劃分的新能源汽車儲(chǔ)電量，見式(5)。

b=LFP,LMO,LCO,NMC

m=PHEPV,PHECV,PHESV.BEPV,

BESV,FCEV

(5)

3.2.2 測(cè)算結(jié)果

依據(jù)新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量測(cè)算結(jié)果和上述測(cè)算公式可測(cè)算出各類型新能源汽車的儲(chǔ)電量，測(cè)算結(jié)果顯示：2019年，純電動(dòng)乘用車、客車和專用車上所含儲(chǔ)電量39 620 MW·h、14 210 MW·h和5 321 MW·h，插電式混合動(dòng)力乘用車和客車上的儲(chǔ)電量只有2 451 MW·h、245 MW·h，插電式混合動(dòng)力專用車和燃料電池汽車上的儲(chǔ)電量更少。從動(dòng)態(tài)變化看，純電動(dòng)乘用車上的儲(chǔ)電量一直快速增長，2017年超過純電動(dòng)客車成為儲(chǔ)電量最大的車型；純電動(dòng)客車、插電式混合動(dòng)力乘用車的儲(chǔ)電量除2019年有所減少外，總體保持逐步增長態(tài)勢(shì)；2017年之前純電動(dòng)專用車上的儲(chǔ)電量持續(xù)增長，之后儲(chǔ)電量連續(xù)下降(圖4)。

由于《節(jié)能與新能源汽車年鑒》缺少2013年、2015年、2016年的新能源汽車生產(chǎn)對(duì)應(yīng)配置鋰電池的具體信息，無法測(cè)算這三個(gè)年度儲(chǔ)電量。從鋰電池類型劃分角度看，近年來磷酸鐵鋰電池應(yīng)用相對(duì)穩(wěn)定，2019年裝配磷酸鐵鋰電池的新能源汽車儲(chǔ)電量回落到20 125 MW·h；三元材料電池則一直快速得到應(yīng)用，2019年裝配三元材料電池的新能源汽車儲(chǔ)電量達(dá)40 990 MW·h，儲(chǔ)電量是磷酸鐵鋰的1倍多；錳酸鋰和鈦酸鋰電池在新能源汽車的應(yīng)用卻出現(xiàn)了大幅下降，2019年裝配兩類鋰電池的新能源汽車上的儲(chǔ)電量只有2017年的0.32倍和0.68倍(圖5)。

圖4 2012—2019年按車輛類型劃分新能源汽車的儲(chǔ)電量

圖5 2012—2019年按電池類型劃分新能源汽車的儲(chǔ)電量

4 鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)強(qiáng)度測(cè)算

依據(jù)鋰電池行業(yè)總體單位儲(chǔ)電量和相關(guān)文獻(xiàn)參數(shù)對(duì)各類型鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)定。

4.1 測(cè)算原理

鋰電動(dòng)力新能源汽車上的鋰電池工作原理基本相似。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極材料(如石墨晶體)中脫嵌出來，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到正極材料晶體的表面，并嵌入到正極材料晶格內(nèi)。充電時(shí)，鋰離子從正極材料晶格遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解遷移到負(fù)極材料的表面，然后嵌入負(fù)極材料晶格中。不管鋰電池正極材料何種類型，電池充放電過程中1 mol活性鋰離子都對(duì)應(yīng)著1 mol的電子。 所不同的是，不同類型正極材料鋰電池，充放電過程中1 mol活性鋰離子(電子)需要不同質(zhì)量的正極材料、負(fù)極材料(石墨)以及電解質(zhì)等的支撐。理論上，在不考慮鋰電池正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)及其生產(chǎn)工藝、技術(shù)水平、材料性能等對(duì)單位儲(chǔ)電量需要鋰資源支持的影響，不考慮鋰電池廠商以及鋰電池自身等差異的前提下，電池充放電過程中單位質(zhì)量的鋰離子對(duì)應(yīng)著一定量的電子。 視鋰電池總儲(chǔ)電量與鋰電池鋰消費(fèi)量存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)應(yīng)關(guān)系見式(6)。

LBTSCt?LBTWLRt

(6)

式中：LBTSCt為t年度生產(chǎn)鋰電池的總儲(chǔ)電量；LBTWLRt為t年度所有鋰電池生產(chǎn)所消費(fèi)鋰的重量。

兩者之間的對(duì)應(yīng)公式見式(7)。

λ×LBTSCt=LBTWLRt

(7)

式中，λ為一個(gè)系數(shù)，即單位儲(chǔ)電量的鋰消費(fèi)量。

如果考慮技術(shù)水平進(jìn)步等影響，λ在時(shí)間上會(huì)有所變化，式(7)可以修改為式(8)。

λt×LBTSCt=LBTWLRt

(8)

4.2 鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)的測(cè)算

根據(jù)上海有色網(wǎng)數(shù)據(jù)，2012年中國鋰電池產(chǎn)量20.66 GW·h，2014年增加到35.05 GW·h，2019年增加到133.24 GW·h；鋰電池行業(yè)對(duì)鋰市場需求量由2014年的3.10萬t(LCE)增長到2019年的10.37萬t(LCE)。按式(3)進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果顯示：中國鋰電池生產(chǎn)單位鋰消費(fèi)逐年下降，2014年鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)約0.166 2 kg/(kW·h)，2019年下降到0.146 3 kg/(kW·h)(圖6)。鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)逐漸下降既有鋰電池生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的原因，同時(shí)也有鋰電池結(jié)構(gòu)性變化的原因，近年來鋰電池正在經(jīng)歷由磷酸鐵鋰為主向三元材料為主的結(jié)構(gòu)性變化。

圖6 2014—2019年鋰電池單位儲(chǔ)電量的鋰消費(fèi)

4.3 各類型鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)的設(shè)定

GAINES等[14-15]采用電池生產(chǎn)、消費(fèi)調(diào)查等數(shù)據(jù)，測(cè)算出了新能源汽車上不同類型鋰電池的性能指標(biāo)(如儲(chǔ)電量)、各類材質(zhì)的組成、化學(xué)成分等，對(duì)于認(rèn)識(shí)鋰電池的鋰消費(fèi)具有重要意義，被國內(nèi)外廣泛采用。根據(jù)GAINES等[15]研究成果中的數(shù)據(jù)，可測(cè)算出磷酸鐵鋰(LFP)和三元材料(NCM)電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)分別為0.159 kg/(kW·h)和0.246 kg/(kW·h)，鈷酸鋰(LMO)電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)為0.422 7 kg/(kW·h)，而GAINES[14]的研究成果表明鈷酸鋰(LMO)、錳酸鋰(LCO)電池正極材料單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)相差并不大。本文以GAINES等[15]研究成果提供數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)中國鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)測(cè)算結(jié)果、新能源汽車產(chǎn)量、裝配在新能源汽車上的鋰電池儲(chǔ)電量，依據(jù)裝配鋰電池類型不同設(shè)定新能源汽車的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)。

相比發(fā)達(dá)國家(公司)，中國鋰電池生產(chǎn)技術(shù)要落后，鋰電池生產(chǎn)過程的單位儲(chǔ)電量鋰消耗量也大。隨著中國鋰電池生產(chǎn)技術(shù)水平提升，鋰電池生產(chǎn)過程的單位儲(chǔ)電量鋰消耗量與國外的差距逐漸縮小。但差距仍存在，比如中國三元材料鋰電池仍以NCM為主，NCA三元鋰電池較少，NCM鋰電池中NCM811電池占比并不高。 考慮中國鋰電池發(fā)展進(jìn)程中鋰電池生產(chǎn)技術(shù)變化、中外生產(chǎn)技術(shù)的差異、各類型鋰電池技術(shù)提升空間等。 設(shè)定2012—2014年磷酸鐵鋰單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)強(qiáng)度為0.159 kg/(kW·h)，2012—2013年三元材料電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)強(qiáng)度0.246 kg/(kW·h)，2014年是2013年的0.95倍處理，錳酸鋰和鈷酸鋰電池合并為一類電池，且單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)是三元材料電池的1.2倍。 2017年、2018年和2019年磷酸鐵鋰電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)采用2014年的0.85倍、0.83倍和0.81倍處理。2017年、2018年和2019年三元材料、錳酸鋰、鈷酸鋰電池按照2014年的0.70倍、0.64倍、0.63倍處理。 最終可得到中國2012—2019年各類鋰電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)強(qiáng)度，如圖7所示。 測(cè)算結(jié)果顯示，2019年新能源汽車領(lǐng)域磷酸鐵鋰和三元材料電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)分別約為0.126 4 kg/(kW·h)、0.155 0 kg/(kW·h)，錳酸鋰和鈷酸鋰電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)0.186 0 kg/(kW·h)。

圖7 2012—2019年不同類型鋰電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)

5 新能源汽車鋰消費(fèi)的測(cè)算

假設(shè)裝配在新能源汽車上的鋰電池與其他領(lǐng)域應(yīng)用鋰電池沒有差別，依據(jù)上述測(cè)算過程和相關(guān)測(cè)算模型，可以測(cè)算出新能源汽車的鋰消費(fèi)量。測(cè)算結(jié)果顯示：2019年中國生產(chǎn)新能源汽車消費(fèi)鋰近8 740 t，而2012年鋰消費(fèi)量不足150 t，鋰消費(fèi)量年均增速80%，到2019年新能源汽車生產(chǎn)的累計(jì)鋰消費(fèi)量已達(dá)3.15萬t。

5.1 按照電池類別

從裝配動(dòng)力電池類型來看，新能源汽車生產(chǎn)的鋰消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。2012—2019年間，新能源汽車通過磷酸鐵鋰電池消費(fèi)鋰雖有一定起伏變化，但鋰消費(fèi)量總體呈增長態(tài)勢(shì)，鋰消費(fèi)量由2012年的130 t左右增長到2019年的2 540 t左右，年均增速53%；但鋰消費(fèi)量占總體鋰消費(fèi)量的比例卻不斷下降，2012年新能源汽車領(lǐng)域有91%的鋰被磷酸鐵鋰新能源汽車消費(fèi)掉，到2019年該比例已下降到29%。相比而言，2012—2019年新能源汽車通過三元材料電池消費(fèi)掉的鋰逐年增加，鋰消費(fèi)量由2012年的只要1 t左右增長到2019年的6 030 t左右，年均增速232%，并于2017年鋰消費(fèi)量超過裝配磷酸鐵鋰的新能源汽車。由于新能源汽車裝配錳酸鋰和鈦酸鋰電池相對(duì)較少，因此新能源汽車通過兩類型鋰電池消費(fèi)鋰也不多，2019年兩類型新能源汽車鋰消費(fèi)量只有160 t左右，不足總體鋰消費(fèi)的2%(圖11)。由此可以判斷，未來新能源汽車生產(chǎn)對(duì)鋰的消費(fèi)將主要集中在三元材料電池領(lǐng)域，對(duì)推動(dòng)中國三元材料電池技術(shù)進(jìn)步意義重大。

新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)也有明顯結(jié)構(gòu)性變化。2018年之前，裝配磷酸鐵鋰電池的新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量一直多于其他類型鋰電池。2019年，裝配磷酸鐵鋰和三元材料電池的新能源汽車?yán)塾?jì)消費(fèi)鋰13 690 t和16 325 t，占新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)的44%和52%，裝配三元材料電池的新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量首次超過磷酸鐵鋰新能源汽車，而裝配錳酸鋰、鈦酸鋰電池的新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量只有1 520 t左右，不足總體累計(jì)鋰消費(fèi)量的5%(圖8)。綜合考慮不同類型鋰電池裝配新能源汽車及其使用領(lǐng)域不同，由此可以判斷，當(dāng)前一段時(shí)間新能源汽車領(lǐng)域退役鋰電池將主要是磷酸鐵鋰電池，未來將逐步擴(kuò)展為磷酸鐵鋰和三元材料電池共同組成的格局。

圖8 2012—2019年按電池類型劃分新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)

5.2 按照車輛類型

純電動(dòng)新能源汽車一直是鋰消費(fèi)的主力。2019年，純電動(dòng)新能源汽車(乘用車、客車、專用車)消費(fèi)鋰8 600 t，而生產(chǎn)插電式混合動(dòng)力新能源汽車(乘用車、客車、專用車)消費(fèi)鋰只有100多t，純電動(dòng)新能源汽車的鋰消費(fèi)量是插電式混合動(dòng)力新能源汽車的84倍之多。動(dòng)態(tài)變化看，純電動(dòng)新能源汽車消費(fèi)鋰一直快速增長，插電式混合動(dòng)力新能源汽車消費(fèi)量雖然不大，但消費(fèi)量卻一直呈增長態(tài)勢(shì)，到2019年卻出現(xiàn)了大幅下降。

純電動(dòng)乘用車和純電動(dòng)客車的鋰消費(fèi)量一直遙遙領(lǐng)先，尤其是純電動(dòng)乘用車的鋰消費(fèi)量持續(xù)快速增長。2012年，兩類新能源汽車鋰消費(fèi)分別為42 t和91 t，占當(dāng)年新能源汽車鋰消費(fèi)的91%；2017年，純電動(dòng)乘用車的鋰消費(fèi)量首次超過純電動(dòng)客車；2019年兩類新能源汽車消費(fèi)鋰分別增長到了6 080 t和1 830 t，占當(dāng)年新能源汽車鋰消費(fèi)量的87%，純電動(dòng)乘用車的鋰消費(fèi)量已是純電動(dòng)客車的3.32倍；2012—2019年，兩類新能源汽車鋰消費(fèi)量年均增速104%和54%，純電動(dòng)客車生產(chǎn)的鋰消費(fèi)量已經(jīng)趨于穩(wěn)定。純電動(dòng)專用車的鋰消費(fèi)量遠(yuǎn)少于純電動(dòng)乘用車和客車，2017年之前純電動(dòng)專用車鋰消費(fèi)量逐年增加，之后鋰消費(fèi)量連續(xù)下降，到2019年鋰消費(fèi)量已下降到只有700多t，占新能源汽車總體鋰消費(fèi)量的不足8%。隨著城市衛(wèi)生、物流等領(lǐng)域新能源汽車消費(fèi)逐漸穩(wěn)定，可以判斷未來純電動(dòng)專用車生產(chǎn)對(duì)鋰的消費(fèi)也將趨于穩(wěn)定，甚至?xí)陆?。插電式混合?dòng)力乘用車的鋰消費(fèi)量更少，且在2019年出現(xiàn)了急速下降，消費(fèi)量由2018年的560多t快速下降到2019年的不足60 t，消費(fèi)量不足新能源汽車總體鋰消費(fèi)量的1%(圖9)。

純電動(dòng)乘用車超過純電動(dòng)客車成為鋰?yán)塾?jì)消費(fèi)大戶。2019年，純電動(dòng)乘用車、客車和專用車的累計(jì)鋰消費(fèi)量分別1.52萬t、1.05萬t和0.41萬t，純電動(dòng)新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量近3萬t，是新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量的94.30%?？紤]到純電動(dòng)乘用車和客車使用強(qiáng)度和領(lǐng)域不同，可以判斷最近一段時(shí)間新能源汽車領(lǐng)域的鋰回收將主要來自純電動(dòng)客車，今后將來自純電動(dòng)乘用車和客車兩個(gè)領(lǐng)域。插電式混合動(dòng)力新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量0.18萬t，不足新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量的6%。從動(dòng)態(tài)變化看，純電動(dòng)乘用車的鋰?yán)塾?jì)消費(fèi)量持續(xù)快速增長，并于2018年純電動(dòng)乘用車的鋰?yán)塾?jì)消費(fèi)量超過了純電動(dòng)客車，可以判斷未來純電動(dòng)乘用車生產(chǎn)對(duì)鋰的消費(fèi)量將繼續(xù)快速增加。相比而言，近年來純電動(dòng)客車的鋰?yán)塾?jì)消費(fèi)量呈現(xiàn)出了線性的增長態(tài)勢(shì)；純電動(dòng)專用車、插電式混合動(dòng)力乘用車的鋰?yán)塾?jì)消費(fèi)量增速開始減緩(圖10)。

圖9 2012—2019年按新能源汽車類型劃分新能源汽車鋰消費(fèi)量

圖10 2012—2019年按新能源汽車類型劃分新能源汽車?yán)塾?jì)鋰消費(fèi)量

5.3 按照電池類別和車輛類型

新能源汽車領(lǐng)域三元材料電池鋰消費(fèi)車型集中度非常高，純電動(dòng)乘用車貢獻(xiàn)了三元材料電池絕大部分的鋰消費(fèi)。2019年，純電動(dòng)乘用車通過三元材料電池消費(fèi)鋰5 825 t，約占新能源汽車領(lǐng)域三元材料電池鋰消費(fèi)的近97%，插電式混合動(dòng)力乘用車、純電動(dòng)專用車通過三元材料電池消費(fèi)鋰分別只有59 t和145 t，兩類車型鋰消費(fèi)只有新能源汽車領(lǐng)域三元材料電池鋰消費(fèi)的3%，另外極少部分鋰消費(fèi)是通過插電式混合動(dòng)力專用車、純電動(dòng)客車和燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)態(tài)變化看，由于近年來中國新能源汽車對(duì)三元材料電池應(yīng)用技術(shù)路線變化，造成新能源汽車領(lǐng)域三元材料電池鋰的消費(fèi)出現(xiàn)了明顯結(jié)構(gòu)性變化。2015—2018年，純電動(dòng)專用車、插電式混合動(dòng)力乘用車和純電動(dòng)客車一直是三元材料電池的主要裝配車型，到2019年三類型車型裝配三元材料電池大幅度減少，造成三元材料電池鋰消費(fèi)在車型上也發(fā)生了相應(yīng)變化。 可以判斷，純電動(dòng)乘用車仍將是未來三元材料電池鋰消費(fèi)的絕對(duì)主力(圖11)。

磷酸鐵鋰電池主要裝配于純電動(dòng)客車、乘用車和專用車，新能源汽車上磷酸鐵鋰電池的鋰消費(fèi)也主要通過這三類車型實(shí)現(xiàn)的。 2012年，裝配磷酸鐵鋰電池的純電動(dòng)客車、乘用車和專用車消費(fèi)鋰約87 t、41 t和5 t，約占新能源汽車生產(chǎn)領(lǐng)域磷酸鐵鋰電池鋰消費(fèi)量的65%、31%和4%。到2019年，裝配磷酸鐵鋰電池的純電動(dòng)客車、乘用車和專用車的鋰消費(fèi)量分別增加到了1 723 t、255 t、545 t，約占新能源汽車生產(chǎn)領(lǐng)域磷酸鐵鋰電池鋰消費(fèi)量的68%、10%和21%。動(dòng)態(tài)變化看，鑒于磷酸鐵鋰電池的穩(wěn)定性，磷酸鐵鋰電池一直是純電動(dòng)客車穩(wěn)定的裝配電池類型，近年來純電動(dòng)專用車選擇裝配磷酸鐵鋰電池的車輛也越來越多，而在三元材料電池的沖擊下，純電動(dòng)乘用車裝配磷酸鐵鋰電池比例不斷減少，新能源汽車上磷酸鐵鋰電池的鋰消費(fèi)也發(fā)生相應(yīng)結(jié)構(gòu)性變化(圖11)。

圖11 2012—2019年按車輛類型和電池類型的新能源汽車鋰消費(fèi)

新能源汽車通過鈦酸鋰電池消費(fèi)的鋰較少，這些僅有的鋰消費(fèi)基本全部是新能源客車貢獻(xiàn)的。2019年，純電動(dòng)客車通過鈦酸鋰電池消費(fèi)鋰63 t，另外8 t鋰消費(fèi)是插電式混合動(dòng)力客車貢獻(xiàn)的。從動(dòng)態(tài)變化看，2014年之前，鈦酸鋰電池主要裝配于插電式混合動(dòng)力客車，2014年之后大部分鈦酸鋰電池裝配于純電動(dòng)客車，新能源汽車領(lǐng)域鈦酸鋰電池的鋰消費(fèi)也發(fā)生了相應(yīng)結(jié)構(gòu)性變化。新能源汽車通過錳酸鋰電池消費(fèi)的鋰也很少，但相比鈦酸鋰電池，錳酸鋰電池的鋰消費(fèi)車型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。2019年，純電動(dòng)客車和插電式混合動(dòng)力客車通過錳酸鋰電池分別消費(fèi)鋰43 t和27 t，約占新能源汽車上錳酸鋰電池鋰消費(fèi)的三分之二，另外三分之一鋰消費(fèi)由純電動(dòng)專用車、純電動(dòng)乘用車和燃料電池汽車貢獻(xiàn)(圖11)。

6 結(jié) 論

1) 新能源汽車的單位車輛儲(chǔ)電量總體有所增加。 2019年，平均每輛純電動(dòng)專用車、純電動(dòng)乘用車、插裝配磷酸鐵鋰、三元材料、鈦酸鋰、錳酸鋰電池的新能源汽車單位車輛儲(chǔ)電量分別為115.03 kW·h、41.62 kW·h，88.25 kW·h、64.71 kW·h。從動(dòng)態(tài)變化看，不論是按照汽車類型劃分，還是按照電池類型劃分，新能源汽車的單位儲(chǔ)電量總體有所增加。

2) 新能源汽車鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)逐步下降。 中國鋰電池生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)提升，鋰電池單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)由2014年的0.166 2 kg/(kW·h)下降到2019年的0.146 3 kg/(kW·h)。2019年，新能源汽車領(lǐng)域磷酸鐵鋰和三元材料電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)分別約為0.126 4 kg/(kW·h)、0.155 0 kg/(kW·h)，錳酸鋰和鈷酸鋰電池的單位儲(chǔ)電量鋰消費(fèi)0.186 0 kg/(kW·h)。

3) 新能源汽車生產(chǎn)對(duì)鋰的消費(fèi)快速增長，2012—2019年新能源汽車生產(chǎn)的鋰消費(fèi)年均增速80%，到2019年新能源汽車生產(chǎn)的鋰消費(fèi)量約為8 740 t。2012—2019年，新能源汽車生產(chǎn)累計(jì)消費(fèi)鋰3.15萬t，其中生產(chǎn)純電動(dòng)乘用車、客車和專用車?yán)塾?jì)消費(fèi)鋰分別占總體累計(jì)鋰消費(fèi)的48%、33%和13%。

4) 新能源汽車的鋰消費(fèi)具有明顯的結(jié)構(gòu)性。2012年，新能源汽車領(lǐng)域91%的鋰被裝配磷酸鐵鋰電池的新能源汽車消費(fèi)掉，到2019年該比例下降到29%；新能源汽車通過三元材料電池消費(fèi)的鋰量逐年增加，到2019年鋰消費(fèi)量占總體的50%。純電動(dòng)新能源汽車一直是鋰消費(fèi)主力，且鋰消費(fèi)量一直快速增長，2019年純電動(dòng)新能源汽車(乘用車、客車、專用車)消費(fèi)鋰占總體的近99%。純電動(dòng)乘用車和客車的鋰消費(fèi)量增速較快，2012—2019年鋰消費(fèi)量年均增速分別為104%和54%，純電動(dòng)客車的鋰消費(fèi)量已趨于穩(wěn)定。