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电动汽车的资源约束

汽车电子设计 | 汽车行业方面技术的意见领袖 2021/11/03 00:20

越来越多车企提出全电动化目标,特斯拉前联合创始人则提醒:目标很美好,但在供应链问题上要确保管理到什么程度 (甚至要追溯到矿山) ,他们并没有完全计划清楚。

本篇文章想探讨在车企大规模推电动车的计划下,电池供应链的保障面临哪些挑战,车企有哪些应对案例,给行业一些参考经验等。

1)发展情况

从历史来看,电动汽车在全球在飞速扩展,2020年底,全球一共有1000万辆电动汽车的存量 (中国540万、欧洲330万、美国180万,其他地区80万) 。但是从2021年开始,每年新增的电动汽车在加速,1-9月中国215.7万辆、美国42.44万台,欧洲157.87万,这三个市场前三个季度就有416万台,按照这个速度2021年一整年550万台,全球冲击600万台一年,这个数据几乎是之前电动汽车存量的一半。

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图1.中国占了全球一半的电动汽车的存量

在所有的汽车企业都把电动汽车作为未来主要开发方向,全力以赴开发电动汽车的时候, 接下来的问题就是 支撑电池的材料够不够?

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▲图2.IEA统计的世界主要车企的计划

增长速度可以用数据来进行核对:2020年全球电池的需求才150GWh左右,可是中国9月份动力电池产量共计23.2GWh,1-9月产量134.7GWh,这基本和之前全球电动汽车一年的需求相当,电池的需求膨胀速度太快了。

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▲ 图3.全球电池市场需求

2)材料的需求

所以,我们回溯5月份IEA写的电池资源约束报告《The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions》,详细叙述了上端锂、镍、钴还有稀土都制约着电动汽车大发展。

其实从这张图里面,我们能发现随着电动汽车和电池的爆发,对于上游资源端的需求是存在瓶颈的,而且这个问题涉及到长周期的资源开采问题,归纳下来主要涉及到铜、镍、钴和稀土这些核心材料。

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▲ 图4.石油天然气到电池工业的资源、精炼和加工国

根据纯电动汽车的发展,我们可以大致估算下使用量,单车锂的用量约为10kg,镍的用量50kg,钴大概也在10kg左右。

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▲ 图5.IEA对于金属材料的需求分解

从电芯的拆解核算也可以来做一个分解,以特斯拉用的LG的产品为例,大概材料可以分解下,51.75kWh,根据拆解来看,电芯的重量为201.68kg,对应的正极材料的重量为80kg,对应的镍的重量为65.57kg,钴的重量为4.8kg。

如果我们按照三元的51.75kwh作为基准,100万台Model 3 三元版本(51GWh),需要的镍6.5万吨镍,0.48万吨钴。2020年全球钴产量为14万吨,大概是这个数据。

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▲ 图6.特斯拉三元NCM811电芯的重量分解

如果从一个相对更为宏观的角度切入,引用中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心发布 《全球锂、钴、镍、锡、钾盐矿产资源储量评估报告(2021)》 的数据来看:

全球锂矿 (碳酸锂) 储量1.28亿吨,资源量3.49亿吨,主要分布在智利、澳大利亚、阿根廷、玻利维亚等国。

钴矿储量668万吨,资源量2344万吨,刚果 (金) 、印度尼西亚、澳大利亚等国最为富集。镍矿储量9063万吨,资源量2.6亿吨,印度尼西亚位居全球储量第一,澳大利亚、俄罗斯等国资源丰富。

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▲ 图7.全球电池主要电池需求金属的供给企业

从消费端来看,2020年全球锂 (碳酸锂) 消费量约40万吨、钴约17万吨、镍约240万吨。相对于现有储量,全球锂、镍、钾盐资源保障程度较高,钴的保障程度相对较低。从目前的实际情况来,如果中国或者全球,大量使用磷酸铁锂的方案作为入门电动汽车的方案,整体电池的需求其实是可以保证的。

3)什么是普适的技术路线?

可以说,正是国内选择了更普世的磷酸铁锂替代三元作为主流方案,才使得这段时间整体碳酸锂价格飙涨,但是钴价基本没有大的涨幅的核心原因, 数据显示9月国内动力电池装机数据显示, 9月三元电池装车6.14GWh,磷酸铁锂电池共计装车9.54Wh,磷酸铁锂电池连续3个月在装车量方面领先于三元电池。产量方面9月三元电池产量9.63GWh,占总产量 41.56%;磷酸铁锂电池产量 13.51GWh,占总产量58.31%,这是连续第五个月磷酸铁锂电池产量超过三元电池。 中国正是领先全球做了一次探索性的实验来确认技术路线的更迭。

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▲ 图8.三元和磷酸铁锂的2021年对比

4)电池企业和车企的资源端行动

布局锂、钴、镍等关键资源,已经成为电池企业的主要手段,这方面还是中国电池企业在巨大的需求和价格涨幅面前,成为了一项基本的内容。

• 以宁德时代为例:

2018年3月 通过全资孙公司加拿大时代持有北美锂业 43.59%的股权;

2018年4月 通过加拿大时代参股北美镍业,持股25.38%;

2019年9月 通过香港时代认购澳大利亚锂矿企业Pilbara Minerals公司1.83亿普通股,占总股本的8.5%;

2021年9月 宣布拟在江西省宜春市建立锂电池生产基地,而宜春被称为“亚洲锂都”。

而围绕高镍做开发的LG化学与现代汽车位于印尼的合资电池工厂开始动工,计划2024年投产。这方面,完全是基于镍的需求考虑,计划与一家矿业公司组建合资企业,以提高电池正极前驱体用金属的采购能力。

对于全球各大汽车企业来说,为了确保电池、电机等核心部件的原材料供应,车企也是直接从矿商处通过长期采购协议来锁定资源的供给。

• 以特斯拉为例:

2020年6月, 特斯拉向全球最大的金属矿商嘉能可采购钴原料,按照双方的长期合作协议,嘉能可将向特斯拉每年供应 6000 吨的钴;

2020年9月, 澳大利亚锂矿生产商Piedmont Lithium宣布与特斯拉签署了一份为期五年的合作协议,将向其供应北卡罗来纳州锂矿中开采的高纯度锂矿石;

2021年6月, 特斯拉与全球矿业巨头必和必拓签署了镍供应协议。

从目前来看,一旦需求大了必然需要在全球范围内保障自己的电池原材料供应。

5)布局回收?

我觉得电动汽车里面的电池,可以理解为人为使用的城市精矿,特斯拉联合创始人JB Straubel的公司Redwood Materials,还是非常有价值的,通过电池回收和后道的电池材料,可以构建一个循环体系。

通过建立一个电池生产和回收的循环体系,从报废汽车和蓄电池中回收材料并生产电池,在未来数十年的时间中大大减少镍、铜和钴等原材料的开采,同时减少生产过程中报废电池的损失。

实际上,电动汽车的发展的最终目标是,通过电池回收及电池材料生产,从根本上影响全球的资源可持续发展。

小结:我个人觉得电动汽车的发展,资源约束是暂时的,随着循环经济在电动汽车里面的落地,电动汽车的前景会更美好。

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