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解读锂资源价格波动的原因、趋势及应对策略

来源:能源学人 | 作者:admin | 分类:分析 | 时间:2022-08-05 | 浏览:35543
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锂电网讯:近日,清华大学车辆学院孙鑫博士生、欧阳明高院士、郝瀚副教授发表评述,深度解析电动汽车产业快速发展背景下锂资源价格波动的驱动因素、短期走势、长期趋势、产业影响及应对策略,以“暴涨的锂价不会阻碍电动汽车蓬勃发展”为题发表于Joule。

作为电动汽车和可再生能源系统中的主要储能设备,锂电池在清洁能源转型的进程中发挥着至关重要的作用。在构成锂电池的多种材料中,锂、钴和镍等材料由于他们的高供应风险和对产品性能的决定性作用而常被认为是“关键材料”。迈入低碳未来的行动能否成功在很大程度上取决于这些关键材料的供应稳定性。

与我们所期望相反的是,目前锂电池关键材料的全球供应链正在经历着一场剧烈的市场波动。从2020年12月到2022年4月,中国现货市场上的碳酸锂价格上涨了830%至7.3万美元/吨、硫酸钴价格上涨了100%至1.8万美元/吨、硫酸镍价格上涨了60%至7千美元/吨。如此巨大的价格增幅超出了上游原材料供应商的成本控制能力,使得飙升的材料成本向下游传导。进而造成了高镍三元正极材料(NCM-811)价格上涨了140%至6.4万美元/吨,磷酸铁锂正极材料(LFP)价格上涨了330%至2.5万美元/吨,电解液价格上涨了160%至1.7万美元/吨。这些原料价格上涨的影响叠加到一起后,最终促使锂电池的价格在2021年下半年开始上涨,结束了其自1991年首次被索尼公司实现商用化以来持续了30年的下降趋势。2022年4月,三元方形动力电池和磷酸铁锂方形动力电池的价格分别达到了130美元/千瓦时和120美元/千瓦时,比他们涨价前的价格分别高出了30%和50%。动力电池的价格上涨给电动汽车企业造成了巨大的成本控制压力,最终迫使许多电动汽车公司提高了电动汽车的售价,主流车型的零售价格上涨了3%到5%。甚至一些低利润的电动汽车车型因此而停产,例如长城欧拉旗下的黑猫和白猫。

关键材料价格的飙升引发了人们对电动汽车未来发展的担忧。我们以锂为重点,对其本轮价格暴涨的驱动因素进行了深度分析,并进一步基于分析结果对锂未来短期和长期的供需形势和价格走向进行了建模研究。研究结果表明,虽然当前锂价的暴涨给电动汽车市场带来了剧烈的冲击,但这一冲击会是短期性的。从长远来看,它不会阻碍交通电动化的进程。尽管现阶段锂供给十分紧张,导致锂原料价格保持在高位波动的状态,但这不会影响电动汽车市场稳定增长的态势。到2025年前后,锂的供需形势会因供给水平的提高而得到缓和,伴随着逐渐超过需求的供给,锂价格可能会回落至其暴涨前的水平。


锂价格波动的驱动因素

这不是锂的第一次涨价。数年前锂价也曾经历过一轮剧烈的波动。从2015年9月开始,中国现货碳酸锂的价格从9千美元/吨一路飙升,在2017年10月达到了最高点——3万美元/吨。然后一直维持在2万至3万美元/吨的价格区间内震荡,直到2018年5月之后开始下跌,一路持续到2020年8月达到了6千美元的最低价格(图1)。2015年这场价格波动和本轮的价格上涨背后的核心驱动因素是一样的:电动汽车市场超出预期的爆炸式增长。

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图1 中国的锂价和电动汽车销量。(A)中国电池级碳酸锂的月度现货价格(以2022年3月作为基准月,采用消费者物价指数计算得到的实际价格)。另一种基础锂化学品——氢氧化锂的现货价格走势与碳酸锂基本一致,其从2020年9月的6千美元/吨增长到2022年4月的7.5万美元/吨。不过需要注意的是,这里的锂的现货价格常被用作实时市场动态的参考依据,而并非市场的锂实际交易的价格,因为绝大多数的锂原料是通过签署长期协议进行交易的,长协的价格会与现货价格有很大不同。灰色带表示现在运营中和建设中的锂矿项目的开采成本区间(从锂矿到碳酸锂的加工成本)。(B)中国电动汽车的月度销量。月度销量形成锯齿形增长曲线的原因是,中国从2014年开始按年度逐步取消电动车购买补贴,这促使每年年底企业会推出销售促销活动以清空在下一年无法享受补贴的车型库存,同时消费者会在年底提前购买他们原本打算在下一年购买的车型以获得更高的补贴优惠。详细数据可通过论文附录获得。

对2015年到2018年的锂价波动进行回溯可以为对当前锂价暴涨的分析提供重要的参考。2015年被许多人称为“电动汽车发展元年”。2015年全球电动汽车销量达到55万辆,比2014年增长了70%,远超当时的普遍预期。这一出人意料的增长的动力主要来自于中国市场。得益于长期的财政政策支持,2015年中国电动汽车的销量达到了33万辆电动汽车,较2014年增长了340%。

2021年,这一驱动因素重演。全球电动汽车年销量相比2020年翻了一倍,达到了660万辆,而中国的销量几乎翻了三倍,达到330万辆。在新冠疫情导致整个汽车市场表现疲软的背景下,这一增长再次远远超出了许多人的预期。这次电动汽车的爆发增长除了各国“绿色复苏计划”等政策推动外,主要的驱动力来自于市场内部的技术竞争力。随着电动汽车和锂电池技术的持续进步和基础设施的不断完善,电动汽车相对于内燃机汽车的全生命周期拥有成本已经达到临界点。尤其是在轻型汽车领域,电动汽车已经具备了相比内燃机汽车在成本方面的竞争力。这极大地激发了投资者对电动汽车未来市场增长的乐观预期。

这种乐观的预期引发了电动汽车全产业链范围内的供应商产能扩张的竞赛。到2025年全球锂电池的产能规划已经超过3500GWh,是2021年全球产能的5倍(约700GWh)。正极、负极、电解液、隔膜和基础化学品的供应商都在极力地推动生产和产能扩张,试图在满足当前的市场需求的同时,具备足够的后备库存以占据未来市场份额。这是经典的“牛鞭效应”的情景,即由于供应链各级生产者出于对未来需求增长的乐观预期都在建立库存,导致最终消费者的需求在向上游传导时会因叠加了库存需求而被逐级放大。当传导到最上游的环节,即矿产供应商时,他们所面临的需求会远高于最终消费者的实际需求。因此,尽管2021年锂矿的供给是大于实际的最终消费的,但锂矿原料仍处于严重短缺的状态(图2)。

锂矿供应对需求的高响应延迟也加剧了人们对原材料供应的担忧。目前的锂矿有两种主要来源:硬岩(锂辉石、锂云母等)和卤水。硬岩矿山开采项目从立项到产能完全释放所需的平均时长为3年,而卤水项目则为7年。由于这种难以避免的长建设周期的限制,供应商的产能扩张速度往往难以跟上井喷式的需求增速。

此外,锂的定价模式也在不断演变。一直以来,大部分锂原料的价格是通过签订双边长期协议而非现货市场来进行协商确定的。长协定价模式下的价格信息的流动相对缓慢。在2021年下半年,澳大利亚的主要锂矿供应商Pilbara Minerals推出了一种新的定价模式——公开拍卖。这种更加透明且信息流动迅速的定价模式提高了原材料的价格上限。

另一个影响价格的因素是新冠疫情。自2020年以来,新冠疫情严重影响了全球市场和供应链的稳定性。受其影响,阿根廷的两个锂矿项目被迫暂停生产。此外,澳大利亚和智利的锂原料出口也因疫情导致的海运运力不畅而受到严重阻碍。因为这些国家不具备本土的下游精炼制造产能,他们的原料都需要出口到中国等其他国家进行深度加工,所以出口受阻导致了资源供应紧张进一步加剧。


短期趋势

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图2 锂矿供给和最终需求。2021年及以前年份的数据来自于作者以前的物质流分析研究工作。2022年之后的锂矿产量的信息为通过对矿冶公司的产能规划的公告整理得到。未来锂需求由作者进行建模得到。这里我们对电动汽车的未来的市场渗透率构建了三种增长情景,以反映材料的高价格对电动汽车市场增长影响的不确定性。虚线框表示三种情景下未来锂需求的差异。详细的模型结果和建模方法可通过论文附录获得。

通过收集整理42个硬岩提锂项目和29个卤水提锂项目的产能规划时间表,以及预估全球电动汽车市场渗透目标,我们对未来短期的锂供需形势进行了建模预测。模型结果表明,与2016到2018年的情况非常相似,在未来一到两年内,澳大利亚的锂辉石开采项目的复产和扩产将成为锂矿供应增加的主要驱动力。2022年全球锂矿年供应量预计达到约140千吨(锂金属当量),2023年为200千吨左右。自2024年起,阿根廷、中国、刚果民主共和国、巴西、加拿大、美国等地的大型绿地项目将陆续投产。到2025年,预计全球锂矿年产量将达到325千吨。

在需求方面,上涨了3%-5%的电动汽车价格对消费者购买意愿的负面影响被石油价格飙升和芯片短缺所造成的内燃机汽车的使用成本上升所部分抵消。电动汽车相比内燃机汽车的全生命周期拥有成本的优势会继续保持。2022年第一季度,全球电动汽车销量同比增长了75%就是这一点的有力证明。此外,仍在持续的对电动汽车产业的激励政策也鼓励了电动汽车消费,例如中国的双积分政策,该政策规定了汽车企业电动汽车产量必须达到的要求。这些因素会帮助维持电动汽车市场的稳定增长,推动电动汽车的销量渗透率在2025年达到18%-26%。加上将用于生产固定式储能和其他应用领域的锂的消费,到2025年,全球锂的总消费量预计将从2021年的99千吨增长到220-288千吨。

以上分析结果表明,预计未来几年,锂供需紧张的形势会持续存在,期间锂价格会在高位震荡。然而,到2024年左右,预计锂的供应将超过需求,供应商在满足下游实际需求的同时可以具备充足的库存储备。库存的积累会逐渐达到供应商所能接受的上限,进行开始抛售这些过多的库存,从而引发从上游到下游的削减库存的逆向牛鞭效应,进而将重现2018年的锂价下跌趋势。由于锂的采矿成本在3千美元/吨到9千美元/吨的区间内(图1),因此,到2025年左右,锂价格可能会跌至1万美元/吨的水平,具体时间将取决于实际的电动汽车市场增长轨迹。


长期展望

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图3 锂资源储量和锂电池的关键材料用量。(A)历年锂资源储量。红框表示基于电动汽车单体100kWh的电池载量和锂电池中0.11kg/kWh的锂材料用量的假设,可以从当前可用的锂资源储备中生产的锂电池和电动汽车规模的估计值。(B)锂电池的关键材料用量。“目前使用的锂电池”一行为当前的主流锂电池技术,以正极材料进行区分。所有电池均使用石墨负极和六氟磷酸锂液态电解质。“固态锂离子电池”一行为代表性的固态锂离子电池,预计将在10年内实现商业化。标签以正极/负极/电解质的形式显示相应的化学体系。缩写词定义:LCO,LiCoO2;NCM-xyz, LiNixCoyMzO2;NCA,LiNi0.8Co0.15Al0.05O2;LFP,LiFePO4;LMO,LiMnO2;Si-C,硅碳复合材料;LPSCl,Li6PS5Cl;LATP, Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3;Li,锂金属;Li-rich,Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2。详细的数据结果和计算方法可通过论文附录获得。

济可采储量”是“总资源量”的子集,其代表的是在所定义的时间范围内的经济和技术条件所能利用的资源量。随着对资源的不断利用,对采矿技术和资源勘探的投资也将不断增加,从而会使越来越多的未知的或原本不具备开采价值的矿床转化成为可利用的资源。矿冶技术进步也将提高从矿山开采矿物的产出效率。因此资源的经济可采储量会伴随着资源的消费量的增长而增长。举例来说,从2005年到2021年,锂矿的产量增长了四倍,而锂的经济可采储量也增加了四倍,达到了2200万吨。这些储量足以生产200TWh的锂电池,可为20亿辆电动汽车提供服务(图3A)。

锂电池从现阶段技术体系演化到固态电池、锂硫电池、锂空气电池的过程会导致的单位电池的锂材料用量增长2到4倍(图3B)。此外,电化学固定式储能产品的普及、以及核聚变等新兴技术需求可能会使锂的未来长期需求大幅增长。然而,基于8900万吨已探明的陆地资源储量和2300亿吨的海洋资源储量,锂资源的经济可采储量的增长率预计将与其消费的增长率长期保持匹配,特别是在锂价处于高位的时期。

尽管锂资源储量充足且锂矿开采技术在持续进步,但随着矿石品位的下降和碳排放的货币化作用下,锂资源的采矿成本可能在未来会呈现上升趋势。在这一点上,回收可以提供有效的反作用力。与采矿过程相比,通过回收过程得到锂的碳排放要少得多。伴随着未来回收技术发展和规模经济效应影响,锂回收成本预计会呈现快速下降的趋势,从而有力地对冲锂矿开采成本上升的影响。电动汽车电池的使用寿命长达10年,并且可能会因电池技术进步和梯次利用等因素而进一步延长。因为电池的材料体系目前仍处于高速发展的阶段,所以长达10年的时间窗口期会使得从报废电池中回收得到的原料无法和新电池的材料需求完全匹配。尽管如此,伴随着锂电池技术趋于成熟,锂回收有望解决未来的长期挑战,预计到2050年左右,从电池回收得到的原料供给将满足锂总需求的50%左右。综上所述,即使电池一直依赖于锂作为关键原料,锂价格也不具备长期上涨的基本面。


政策建议

锂、钴和镍的材料采购成本占电动汽车电池包价格的25%左右(2021年电池包平均价格为118美元/千瓦时)。而在未来,由于锂电池制造技术进步,电池其他组成部分的成本将继续下降,所以原材料成本在电池价格中的所占的比例可能会进一步上升。电池价格将因此对材料价格的波动变得越来越敏感。因此避免像本轮如此大幅度的材料市场波动对电动汽车市场的可持续发展至关重要。我们提供了以下几点建议来抑制关键材料市场的大规模价格波动。

一、构建全球锂交易平台。相当数量的钴和镍原料均在伦敦金属交易所进行交易,而锂却没有这样的交易平台。尽管交易平台的高资本流动性可能会增加价格产生波动的概率,但一个公开透明的交易平台可以及时反馈市场变化,透明且快速流动的价格信息和交易平台自身的监管职能可以有效规避价格暴涨的极端情况的发生。一个典型的例子是,在2022年3月8日,当注意到镍价在一天内上涨了超一倍的异常情况时,伦敦交易所立即紧急暂停了镍的交易以避免情况进一步恶化。

二、供应来源多元化。锂供应的极高的地理集中度加剧了供应中断的可能性。2020年,前三大锂生产国占全球供应量的90%。相比之下,全球只有40%的石油供应集中在前3大生产国。即使三大生产国的锂供应份额预计将在2025年下降至70%,但其仍然没有达到足够的多元化程度。建立国家的锂资源储备可以作为一种分散供应来源的方式,具体做法可以参考已有的对铜、铝等大宗原料进行物资储备的方式。

三、持续完善回收系统。一个完善的回收系统包括健全的法规、高效的报废品收集和物流体系以及高质量的回收品产出工业。其可以显著地提高原料供应链的弹性。目前正在运行的电池回收工业主要集中在钴和镍的回收上。而从锂离子电池中回收锂,在常态锂资源价格条件下,还仍然难以实现盈利。想要突破实现盈利的商业和技术壁垒还需要持续的投资和政策激励。

四、开发替代品和管理电池需求。2021年下半年的磷酸铁锂电池装机量同比增长了426%。因其不需要钴和镍作为原料,这有效遏制了钴和镍的需求增长和价格波动。像钠离子电池这样的无锂电池对锂电池进行替代可以在对电池能量密度需求较低的应用领域发挥类似的作用。此外,换电和超级快充等技术和商业模式可以有效降低电动汽车单体电池载量的需求,从而减小相应的锂资源需求。

五、建立信息共享机制。频发的价格危机暴露了在锂资源产业中长期以来一直存在的信息不对称的问题。这需要建立一个包含政府、消费者、第三方智库和产业链上下游企业在内的信息共享机制,促进各方之间的有效协调、合作和沟通。这样的机制可以帮助行业形成有效的合力,从而减少需求的扭曲化、产能过度扩张和恶意囤积库存等不良事件的发生。

作者简介

孙鑫:清华大学车辆与运载学院2018级直博生, 哈佛大学肯尼迪政府学院贝尔弗科学与国际事务中心访问学者。研究方向为面向低碳交通的储能材料可持续性。主要研究内容包括开展锂、钴、锰等关键储能材料的全球物质流分析,进一步开发了多类评价指标对关键金属资源产业链内的潜在供应风险进行了评估,服务于我国国家资源安全战略及政策的制定。在Joule、Environmental Science & Technology、iScience领域内顶级SCI期刊上共参与发表了二十余篇论文。研究成果获得IPCC第六次评估报告、Nature、欧盟委员会、英国地质调查局、澳大利亚工业部等重要期刊和机构的引用达500次,h指数11,ResearchGate阅读量12000余次。曾获得钱易环境奖特等奖学金、全球变化未来学者奖、清华大学研究生综合一等奖学金、中日友好NSK机械工学优秀论文奖、世界大学气候变化联盟研究生论坛最佳报告奖、全国大学生能源管理学术大赛一等奖与最佳能源建模奖等奖项。入选2020年中国科协优秀中外青年交流计划。受邀担任多个SCI期刊审稿人,并获评为Resources Conservation & Recycling期刊2020年度优秀审稿人。

欧阳明高:新能源动力系统与交通电动化专家,中国科学院院士。现任清华大学车辆与运载学院教授,国际交通电动化期刊《eTransportation》创刊主编。长期从事新能源汽车研究,从“十一五”起连续三个五年计划担任国家新能源汽车重点专项首席专家,深度参与了我国新能源汽车战略规划、科技研发、国际合作、示范考核和产业化推进全过程。创建清华大学新能源动力系统科研团队,取得了动力电池热失控热-机-电耦合机制与主动安全防控、长寿命燃料电池系统物理化学过程和优化设计与控制、内燃机混合动力分频段系统动态学与多层次排放控制等三方面从理论创新、技术突破到产业化应用的系统性创新成果。以第一完成人获国家技术发明二等奖2项、省部级科技一等奖2项以及国际氢能与燃料电池联盟IPHE技术成就奖、何梁何利科学技术奖等。发表SCI收录学术论文300余篇,他引1万余次,入选2015~2021中国高被引学者,2017、2019、2020、2021全球高被引科学家。培育学生创业型高科技公司10余家,其中包括科创板上市公司。

郝瀚:清华大学车辆学院副教授、博士生导师,国家优秀青年科学基金获得者,主要从事新能源汽车产业链、先进汽车技术能源环境影响评估等方面的研究。在Joule、Nature Sustainability、One Earth、Nature Communications等期刊发表SCI论文80余篇,入选爱思维尔中国高被引学者,担任6部学术专著共同执笔人,获省部级科研奖励3项、教学奖励1项。


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