电池矿物环

从提取到圆形的路径 Authors 达恩·沃尔特，威尔·阿特金森，苏德什娜·莫汉蒂，金斯米尔·邦德，奇亚拉·古利，阿莫里·洛文斯 联系人 Daan沃尔特Will阿特金森 Acknowledgements 我们要感谢以下个人的投入和专业知识：E. J. Klock McCook，Rushad Nanavatty，Laura LoSciuto，MonkgogiBuzwani，Natalie Janzow，Sam Butler - Sloss，Laurens Speelman，James Newcomb，Lachlan Wright，MikeHemsley，Marissa Gantman和Laurie 关于RMI RMI是一家独立的非营利组织，成立于1982年，当时是落基山研究所，通过市场驱动的解决方案转变全球能源系统，以适应1.5 ° C的未来，并为所有人确保清洁，繁荣，零碳的未来。我们在世界上最关键的地区开展工作，并与企业、政策制定者、社区和非政府组织合作，确定和扩大能源系统干预措施，到2030年将气候污染减少至少50%。RMI在科罗拉多州的玄武岩和博尔德设有办事处；纽约市；加利福尼亚州奥克兰；华盛顿特区C.尼日利亚阿布贾和北京。 目录 执行摘要4 1.电池矿物挑战的六种解决方案6 电池矿物挑战6六个解决方案8解决方案已经在进行中9专家观点一直低估了变化的步伐10 2.延续当前趋势：十年内达到电池矿物峰值11 持续变化的驱动因素112030年代中期的矿产需求高峰16 3.加速趋势：到2050年净零电池矿物需求将达到18 加速变化的驱动力18矿物需求的较低峰值22到2050年接近净零电池矿物需求22 4.迎接电池矿物挑战的意义24 使采矿成为一次性工作24从石油依赖到循环独立27向前28名的循环竞赛上游解决方案提升下游成功30更高的效率带来更大的好处30实现循环自给自足的行动31有很多的空间去更快32管理即将到来的波动性33 附录34 附录A：电池矿物需求建模34附录B：建模持续趋势35附录C：加速趋势的假设38附录D：基准展望39附录E：满足高峰采矿需求的进一步背景40附录F：关于六种解决方案的进一步说明42 尾注43 执行摘要 电池矿物不是新的石油。即使电池需求激增，效率、创新和循环的合力将在十年内推动对开采矿物的需求达到峰值。他们甚至可以让我们在2050年之前完全避免矿物开采。这些进步使我们能够从线性提取模型过渡到循环循环，为我们的气候、安全、健康和财富带来更多好处。 有六种解决方案可以减轻矿物开采的需求。这些措施包括部署新的电池化学物质，使电池更高的能量密度，回收其矿物质含量，延长其使用寿命，提高车辆效率和提高移动效率。变化已经在进行中。如果没有过去十年的化学组合，能源密度和回收利用的改进，锂，镍和钴的需求将比今天高出60％-140％。矿物需求高峰只有十年了。继续目前的趋势意味着我们将在2030年代中期看到原始电池矿物需求的峰值。随着化学组合，能源密度和回收利用的不断改善，锂，镍和钴的净需求-总需求减去回收供应-将达到峰值。2050年前的净零矿产需求已经触手可及。加速这一趋势-使用上述所有六种解决方案-意味着我们可以在2050年之前达到（接近）零的矿物开采需求，届时几乎所有电池需求都可以通过回收来满足。因此，矿产开采将是一次性的努力。因此,电池和运输系统的整体效率每十年提高6-10%就足以抵消回收损失。循环性将启动“永动机”。这样的闭环供应链意味着我们可以在几个世纪内继续从电池矿物中获取价值。在接下来的20年中，我们将收集矿物不仅为2050年的能源系统提供动力，而且还将持续到2100年及以后。我们不需要移山。加速的进展意味着我们只需要累计开采1.25亿吨电池矿物。仅此数量就可以使我们实现循环电池自给自足。这比我们每年为公路运输提取和处理的石油量少17倍。而且，以今天的商品价格计算，也便宜约20倍。我们有足够的矿物质。我们已知的锂，钴和镍储量是我们可能需要的原始需求总量的两倍。宣布的采矿项目已经足以提取我们需要的几乎所有矿物。各国可以从依赖石油转向循环独立。如果停止石油进口，大多数经济体将陷入停顿。由可再生能源驱动的电动汽车不会面临这种短期风险，尤其是在与电池回收和（再）制造配合使用时。中国在电池循环性竞赛中名列前茅。中国最大的电池制造商CATL预计，到2042年，电池回收将导致中国的矿产独立。西方正在努力追赶，而全球南方可以从二手车进口的电池中受益。系统性解决方案将扩大收益。我们通过高效的电池、车辆和机动性来处理需求越全面，对气候、人权、安全、健康和财富的好处就越广泛。为了加快行动，我们需要所有利益攸关方的帮助。从政府到企业创新者，所有人都可以在抓住循环机会方面发挥作用。 1.电池矿物挑战的六种解决方案 能源转型是一种材料转型，随着转型的加速，一些材料将走向衰退，而另一些材料则需要迅速扩大规模以满足新的需求。 正如IEA最新的矿物报告所述，1目前结垢压力最大的材料是锂、钴、镍、石墨、稀土元素和铜。 电池是这种增长的关键驱动力。电池由从特定矿物质中纯化的不同材料组合组成，i随着电池销售的增长，矿物需求也将增长。 根据IEA的数据，电池将推动锂需求增长的97％，镍需求的78％和钴需求的80％，同时也增加了对铜，石墨和稀土元素的需求。 在本报告中，我们重点关注电池行业的矿物需求，重点介绍了三种矿物-锂，镍和钴-其中电池是增长的最大贡献者。石墨，铜和其他关键矿物也将适用。以下各节讨论了管理矿物需求增长的六种解决方案，然后列出了两种可能的未来。 电池矿物挑战 电池需求呈指数增长-在过去的三十年中，每年以33％的惊人速度增长。正如我们的报告X - Change：电池，2增长看起来将以快速或更快的速度继续。2023年电池总销量超过1 TWh，到2030年将增长到5.5 - 8 TWh，到2050年将增长到12 TWh。3这包括固定电网存储约1 TWh，消费电子产品的一小部分，其余用于移动性。 随着电池销量的快速增长，对制造电池的矿物质（目前是锂、钴、镍等）的需求将会增长。 这些矿物中的许多来自以前的利基采矿业。例如，在20世纪90年代和2000年代锂离子电池兴起之前，锂是一个利基元素，在陶瓷、玻璃和一些铝生产中具有边际需求。随着锂离子电池需求的增长，锂供应部门不得不进行全面改革，以满足快速增长的速度，在过去30年中，锂供应部门以每年超过11％的速度增长。4 这并非没有对供应链的压力。例如，直到2023年后期，锂，镍和钴价格才从市场极端紧张导致的18个月飙升中回落。5 这种情况引发了人们对增加矿物开采以满足需求的可持续性以及这些基本矿物的长期可用性的广泛关注。这种规模挑战越来越被认为是电池行业增长的主要障碍，因此也是电动汽车兴起的主要障碍。 此外，采矿的增加可能会对脆弱社区带来更大的影响-包括使用强迫劳动，危险的工作条件，水资源枯竭，土壤污染，生物多样性丧失以及对当地经济的破坏。6例如，采矿业是推动与土著人民发生全球环境冲突的首要部门。7即使可以增加矿产开采，也有许多理由寻求其他解决方案。 值得庆幸的是，扩大矿物开采远非解决电池矿物挑战的唯一解决方案。 六种解决方案 正如Amory Lovins在2021年所概述的那样，有六个关键解决方案可以管理矿产需求的快速增长8-此处显示的是到目前为止对需求的影响的大致递减顺序： A.改变化学物质：部署不同的电池化学物质，需要较少的关键矿物质。B.更高能量密度的电池：通过更好的电池工程每公斤储存更多的能量。C.回收：在电池寿命结束时回收电池，将其矿物质重新用于新电池生产。D.重复使用和延长寿命：使用和重复使用电池的时间更长，以避免频繁更换，并从较少的电池及其矿物质库存中提供更大的服务流量。E.高效车辆：使汽车更高效-重量更轻，更时尚，轮胎和配件更好-并且尺寸合适，以便在相同的车辆范围内使用更小的电池。F.高效的移动性：减少对机动交通的需求，并通过更好的城市规划，更智能的交通基础设施投资和物流效率，引导向公共交通，电动微动，骑自行车和步行的方式转变。 图表4：电池矿物挑战的六种解决方案 解决方案已经在进行中 这六种解决方案中的三种已经大大减少了电池的矿物需求。如果我们像2015年一样继续制造电池（并且不重复使用或回收任何一种电池），到2023年，镍和钴的需求将是原来的两倍多，锂的需求将增加约58％。 化学变化是抑制镍和钴需求的主要驱动力，这是由不需要镍和钴的磷酸铁锂（LFP）电池的增长推动的。 自2015年以来，每种化学物质的平均密度也提高了约25%。9降低了每个电池的矿物需求。其中一些需求现在正在通过回收来满足，2019年全球超过一半的锂离子电池已经实现了回收。10 受稀缺性问题的驱动，我们已经走了很长一段路，通过这些解决方案来减轻采矿需求。正如洛文斯所说明的那样，11实际或感知的资源稀缺性可以激发解决方案，可能有助于完全取代资源。 专家观点低估了变化的步伐 专家们一直低估了电池行业设法从电池中创新矿物的步伐。即使电池需求预测向上修正，前景仍在向下修正电池矿物需求。 例如，BloombergNEF（BNEF）对2030年电池需求的展望 1.8在短短四年内（从2019年到2023年）。12但是，随着电池改变化学物质并提高密度，相关的锂需求仅增长了1.3倍，预计钴需求下降了一半。因此，在这四年期间，预计2030年每个电池的矿物需求下降了超过3.6倍的钴和1.4倍的锂。 2.延续当前趋势：十年内达到电池矿物峰值 随着电池销量的增长，对矿物的需求也会随之增长。但是，电池需求增长10倍不一定会使电池矿物需求增加10倍。应对电池矿物挑战的三种解决方案— —化学变化、密度提高和回收利用— —已经抑制了矿物需求。 本节探讨了这三种趋势的延续将对电池矿物需求意味着什么。我们发现，在持续的趋势下，原始矿物需求将在2030年代中期左右达到峰值。 持续变化的驱动因素 在本小节中，我们阐述了化学变化，密度提高和回收利用改善的全球趋势的延续。 化学组合继续发展 随着电池创新的继续以及新应用和行业的销售规模，新技术中使用的电池化学物质的混合将发生变化。不同的电池化学物质使用不同数量的矿物质，因此化学物质的变化会改变对每种矿物质的需求。 例如，从镍锰钴（NMC）532迁移到NMC 811将电池的钴需求减少了一半以上，尽管以更高的镍需求为代价。转向LFP可以摆脱所有的镍和钴需求，两者都被铁和磷取代。 正如BNEF的化学混合前景所预测的那样，新的化学物质将在未来十年内增长-导致电池矿物需求的持续转变。不同的化学物质在不同的成本和用例上也存在分歧，就像成本较低的电动汽车更喜欢更便宜的LFP一样。 在过去的一年中，LFP技术和成本的改进使商用车电池的预计LFP份额翻了一番（从约40％增加到约80％），乘用车也显着增加。13这一变化导致预计镍需求下降25%-35%。14 创新不断提高能源密度 随着电池销量在过去几十年中的增长，电池的能量密度在不断增长的研发预算和规模经济的推动下上升。本报告侧重于电池密度，以了解对矿物需求的影响-尽管在包装级组件方面也有其他改进。 平均而言，累积电池需求每增加一倍，锂离子电池的平均能量密度（kWh / kg）就会上升约6％。随着电池需求的增长，我们可以预期能量密度也会随之上升-以更少的千克存储更多的电力。 历史密度改善的部分原因是化学变化— —从较少的到更高的能量密度的电池化学。我们估计，这占累计需求每增加一倍6%的改善的约2%。因此，能量密度改善的净学习率(对于给定的化学)约为4%，或总学习率的三分之二。 随着电池部署在2050年之前至少再翻一番4到5倍，密度预计将增加25%以上。 回收持续增长 电池回收已经在顺利进行。 根据研究和咨询公司Circular Energy Storage的数据，2019年全球所有锂离子电池中有59％被