IRA 和美国电池供应链 ： 背景和关键驱动因素

IRA和美国电池供应 链条:背景和关键驱动因素 By艾哈迈德·迈赫迪andTomMoerenhout博士 为了释放对清洁能源技术的激励措施并改变美国的地位 在全球清洁能源地图上的国家，拜登政府成功地获得了Infi 减少法案（IRA）于2022年8月16日通过成为法律。在该法案提供的众多税收优惠中对于清洁能源行业，它为锂离子电池（LiB）价值链提供了大量支持 用于电动汽车（EV）和储能。自通过以来不到一年，IRA 已经导致了一系列投资活动，特别是在美国下游电池行业，1and一直被吹捧为美国电池经济的主要游戏规则改变者。 正如原油是20世纪的关键原材料一样，锂等电池金属，镍和铜将成为21世纪电力经济的关键材料。电池 是净零路线图的核心部分，无论是电动汽车制造还是可再生能源部署率。电池金属从主要投入中获得作为“关键”材料的地位 对于电池阴极-LiB的最高价值组件-将它们放在电子fi阳离子辩论。2 去年，全球LiB需求达到近700千兆瓦时（GWh），增长了67％年复一年。3作为电动汽车的关键平台技术，储能系统和 便携式设备（见图1），LiB预计将见证需求增长 未来十年的增长率（CAGR）为20％。作为这种预期增长的证据，现在有380多个千兆工厂4在2030年之前的管道中(与仅仅 10fiveyearsago),thoughnotallofthemwillbebuilt.Policymakersandoriginalequipment 制造商(OEM)面临着扩大原材料的双重挑战 本评论代表作者的研究和观点。它不一定 representtheviewsoftheCenteronGlobalEnergyPolicy.Thepiecemaybesubjectto 进一步修订。 对SIPA为CGEP的利益fit的贡献是一般用途的礼物，这给了中心 自行决定如何分配这些资金。更多信息可在https://energypolicy上获得。columbia.edu/about/partners。明确指出了赞助项目的罕见案例。 供应以满足电气化fi阳离子目标并确保清洁能源地缘政治规则剧本不仅由中国撰写-目前是整个LiB中最主要的演员 价值链。 图1:2015-2023年全球锂离子电池需求（分部门） 1,200 1,000 800 600 400 200 0 201520162017201820192020202120222023 电动汽车储能系统笔记本电脑 资料来源：基准矿物情报。 在这种背景下，爱尔兰共和军的通过重新领导了 LiB价值链。这篇评论是由两部分组成的系列文章中的第一篇，阐述了电池供应链，谁控制其关键组件，最重要的是，IRA如何变化 美国在全球电池市场中的地位。这将表明IRA是必要的 从供应安全的角度来看，并允许美国使关键供应链多样化，这证明了这一点美国及其战略合作伙伴对这些供应链的强劲投资水平 自产业政策颁布以来。 为什么阴极成本很重要 全球LiB价值链既长又深(概述见图2)，包括 用于生产关键电池组件的材料：阴极(用于储存离子时 使用电池）；电解质（允许离子通过电池移动）；阳极（其中，在电池放电过程中，允许带正电的离子流入阴极)；以及分离器 （防止阳极和阴极相互作用的屏障）。这些组件中的每一个都依赖于关于工程、技术和化学过程，最终关于关键的可用性 生产所需的矿物质。 图2:锂离子电池价值链概述 价格制定者 价格接受者 处理 Extraction化学 阴极/ 阳极生产 细胞制造商。 应用程序 Market 确定 价格 高波动性 在收益中 高经济 租金可用到 Best- 定位 供应商 回收 资料来源：基准矿物情报。 电池的一个关键特性是它的能量密度，一种衡量标准（单位为每升[Wh/L]）每单位体积存储的能量。电池的能量密度越高，它能获得的能量就越多 store-and,inthecaseofelectricvehicles,thegreatertherangeonasinglecharge.Thecanode 对于确定电池的能量密度至关重要，因为它的容量决定了电池的整体储能容量，这反过来又表明了电池的能量密度。 从广义上讲，全球电池行业在过去十年中取得了显著的收益在电池成本降低和技术性能方面，fi特别是能量密度。 关于电池成本的降低，千兆工厂的规模5已经实现了规模经济，因为 以及通过边干边学来降低制造成本。结合改进 在电池制造(如过程自动化和增强电极制造)中，这已经导致电池组的平均成本自2010年以来大幅下降(见图3)。 图3:2011-2022年平均电池成本，包括电池组和模块 1,200 1,000 800 600 400 200 0 201120122013201420152016201720182019202020212022 来源：IEA，https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/average-pack-price-of-锂电离子- 电池和正极材料份额-成本-2011-2021；基准矿物情报“，电池铸造模型（2023年第一季度）。 由于全球电池行业尚未商品化，因此利润率和成本在电池类型。目前，两种主要的LiB类型是镍、锰和 阴极中的钴（NMC）和阴极中的锂，铁和磷（LFP）。在过去的十年中，电池技术不断改进。例如，电池 能量密度从大约每公斤120瓦时（Wh/kg）（264Wh/L）十年 到今天约270Wh/kg(650Wh/L)，因为全球电动汽车行业已经接受了更高的镍阴极技术。甚至更低的能量密度LFP阴极也看到了显著的fi不能 技术改进。6 一般来说，能量密度增益与成本成反比。 正极的电流产生已基本达到其性能极限，7至少 直到下一代高镍电池（NCM811）增加市场份额或固态电池 超越实验室阶段，进入大规模商业化(这一趋势预计不会生根，直到2030年中期8). 由于大多数成本下降都是在包装和制造水平上实现的，并且大部分收益从能量密度水平提取，阴极原材料成本占整个电池的比例 成本已增加。鉴于原材料占阴极成本的90％左右9and 阴极现在约占电池成本的50-60%，10关键投入，如 锂(在不同的细胞类型中具有相似的化学强度)已经变得越来越重要。阳极材料，如石墨(和硅掺杂剂11)也仍然是性能的关键 电池，但只占电池总成本的10-11%左右。12简而言之，现在的阴极成本推动整体电池成本，进而推动电动汽车的成本。 那么，为什么这对政府和OEM的电气化fi阳离子目标很重要呢？ 电池行业在很大程度上是在成本转嫁的基础上运作的，这让原始设备制造商有责任吸收原材料价格上涨，导致利润压缩和政府压力 toensurethatEVuptakeisnotcomprised.Ascriticalmineralsupplyisalreadytightand 锂等关键矿物的需求增长快于供应增长，价格波动可能随之而来随着投入价格的普遍上涨(见图4和5)。这将在未来几年继续因为这些矿物的勘探和生产之间的交货时间平均而言， 十多年来。尽管存在其他障碍，如infi对长期的影响- 运行激励价格13以及许可的持续挑战，供应的缺乏弹性一直是行业参与者日益关注-因为它直接影响了阴极和电动汽车成本，如果转嫁给消费者，可能会损害电动汽车的采用率。14 图4:锂化工（CIF亚洲）和图5:NCM和LFP阴极价格锂辉石6%(离岸价)价格 7,000 70,000 6,000 60,000 5,000 50,000 4,000 40,000 3,000 30,000 2,000 20,000 1,000 10,000 0 0 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 碳酸锂(最小99.2%) 氢氧化锂(最小56.5%) 锂辉石6%(RHS) LFP(160mAh/g) NCM622(155-180mAh/g) NCM811(200mAh/g) 注：碳酸锂主要用于LFP电池，而使用氢氧化锂（LiOH） 主要在NMC电池中；锂辉石是一种含锂矿物，通常在伟晶系中发现；NCM622和NCM811电池依赖于类似的阴极成分，包括镍， 钴和锰，而NCM811电池使用更少的钴和更多的镍，导致更高的能量密度。 资料来源：基准矿物情报。 图6和7提供了电池成本对锂价格上涨的敏感性的一个例子，通过两个价格情景及其对LFP单元成本的影响的示例。图6显示了在锂价格在每吨20,000美元左右的情况下，碳酸锂约占13 电池总成本的百分比约为100美元/千瓦时15；与此同时，每吨现货价格低于7万美元情景(如2022年所见证)，LFP电池成本高达140美元/千瓦时左右，锂 花费了大约35%的份额。16 图6:2021LFP单元成本敏感性图7:2022LFP单元成本敏感性 20美元/公斤(LiC)，电池成本的%$70/kg（LiC），占电池成本的百分比 13% 87% 36% 64% Lithium碳酸盐Other 资料来源：基准矿物情报。 虽然有讨论17关于电动汽车行业未来电池化学预测， OEM技术路线图坚持使用各种常见的阴极配方 在成本、性能和安全性之间进行权衡。图8提供了关键阴极的概述 今天在电动汽车行业中使用的配方。总的来说，电动汽车电池化学的趋势是高性能、高成本、高镍电池(NCM811)和中型电池的组合 性能，低成本，无镍电池（LFP）。 由于阴极活性材料成本对利润率的敏感性，OEM已经冒险垂直整合以直接采购关键矿物和降低风险采矿作业。18同时, 政府已经介入，以确保补贴在整个供应链中到位，从采矿业到电动汽车采购，通常以电池生产本地化为基本目标。 图8:电动汽车全球阴极市场份额 100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0% 2018 2019 2020 2021 2022 2023 LFPLMFP LMONCA NCM111 NCM523 NCM622 NCM712 NCM811+ NM/LMNO Na-离子 Other 注：LFP=磷酸铁锂，LMFP=磷酸铁锰锂，LMO=锂氧化锰(主要用于消费电子产品)，NCA=锂镍钴铝， NCM系列=锂镍钴锰（每个数字表示分裂），LMNO=高锰电池，钠离子=钠离子电池。 资料来源：基准矿物情报。 中国在全球电池供应链中的角色 除了OEM面临的成本压力以及他们对原材料供应的唤醒 所以在当天晚些时候，政府正在意识到电池行业已经成为现实 被地缘政治考虑所取代。鉴于中国的规模过大，这一发展并不奇怪在整个供应链中的作用，再加上美中关系的恶化(见图 9below).WhileChinaplaysasmall,althoughsignifican,roleinupstreammining,itdominatesthe 电池供应链的中下游部分：中国fiRMS目前为fine 全球约60%的锂，69%的镍，75%的钴，世界上的天然石墨。 图9:中国、美国和欧盟在锂离子电池价值链中的地位（2023年） 电池制造: 组件: 化学精炼:锰化学品 锂化学品硫酸钴硫酸镍 原始矿物/提取： 锰天然石墨 单元格 阳极阴极 钴锂 0%20%40%60%80%100% 中国美国Europe 资料来源：基准矿物情报。 该国在电池生产中的主导地位受到其阴极主导地位的支持和阳极生产，以及中国LiB制造业等大型企业的规模经济 巨头CATL和比亚迪。中国占全球阴极和阳极供应的75%以上， 以及全球电池供应的约78％。就电池类型而言，最明显的依赖性是在LFP电池上，中国控制着约99%的LFP阴极输出。 锂可以说是电池供应链中对地缘政治最敏感的材料。两者带来新的锂供应的复杂性（平均项目延迟2-3年）和 替代技术的有限替代风险强化了这一点。19简而言之，锂是关键解锁零净目标。 虽然中国在锂产能方面发挥着巨大的作用