新能源汽車關鍵原材料全球供應風險評估

王　昶，孫　晶，左綠水,3，宋慧玲

(1.中南大學商學院,湖南　長沙 410083；2.中南大學金屬資源戰略研究院,湖南　長沙　410083；3.Sustainable Minerals Institute，The University of Queensland，St Lucia，QLD 4072，Australia)

0　引言

近年來，能源與環境問題對傳統汽車產業的發展提出嚴峻的挑戰。新能源汽車憑借其節能環保的獨特優勢脫穎而出，適應了國際能源供應緊缺以及環境保護呼聲日益高漲的大背景，成為市場和社會各界關注的焦點[1]。世界各國紛紛制定相關政策，大力支持、鼓勵新能源汽車的發展，并將發展新能源汽車作為國家戰略[2]。美國啟動了“新一代汽車合作伙伴計劃”、“自由汽車計劃”等國家戰略，從研發與產業化支持、消費刺激、基礎設施建設等多方面提供了有力的政策；德國制定《國家電動汽車發展計劃》，加大對電動汽車的市場的激勵力度；日本將新能源汽車作為汽車產業發展的重要方向，并制定了《下一代汽車戰略2010》；中國將新能源汽車產業列為戰略性新興產業，并列入《中國制造2025》重點發展領域之一。在各國政策的支持下，全球新能源汽車的發展呈現井噴式增長，2016年全球新能源乘用車銷量達77.4萬輛，比2015年增長40%，其中，中國新能源乘用車銷量達32萬輛，成為全球新能源乘用車市場的主戰場。新能源汽車產業是一個典型的資源密集型和技術密集型產業[3]。與傳統汽車相比，新能源汽車對原材料的需求也發生了變化，如車身更多的使用輕量化材料，動力電池代替傳統鉛酸電池，從而帶動了對鎳、鈷、錳等原材料的需求。2015年動力電池三元材料消耗鎳1973噸、鈷1056噸、錳1170噸，據預測，到2018年，將分別增長到23785噸、7067噸、7062噸[4]。新能源汽車產業發展步伐加快，對鋰、鈷、鎳等關鍵原材料形成強勁的需求，關鍵原材料已經成為各國利益爭奪的焦點。從需求側看，自2008年以來，美國、歐盟、日本[5-7]紛紛發布關鍵原材料的戰略評估報告，篩選出合乎本國或本地區的戰略性新興產業關鍵原材料，并采取一系列措施保障原材料的供給。從供給側看，新能源汽車關鍵原材料中有較多的稀有金屬，在地球上存量稀少，且通常是主要工業金屬如銅、鋅、鋁開采和加工的副產品，其可供性主要受主產品可供性的制約[8]，致使關鍵原材料的供給風險進一步加大進而制約新能源汽車產業的發展。因此，界定新能源汽車關鍵原材料，并進行全球供應風險評估，對保障新能源汽車產業的發展具有重要意義。

現有文獻對新能源汽車的研究多集中在商業模式、產業政策、產業聯盟等方面，如謝青、劉穎琦對新能源汽車的商業模式創新進行了研究分析[9-10]；王靜宇等基于社會網絡視角，對中國新能源汽車產業聯盟進行了實證研究[11]；李華晶等基于綠色技術創新視角研究了新能源汽車企業研發投入與績效的關系[12]；王燕妮引入社會技術系統理論和多層次視角模型，分析了新能源汽車社會技術系統面臨的宏觀環境[13]；程廣宇、范如國、王宏起等對新能源汽車產業發展、補貼政策、生態系統等進行了分析研究[14-16]。當然，也有文獻從未來可持續技術、戰略性新興產業發展的視角[17-18]對全球稀有礦產資源的供應風險進行了分析，但并沒有針對新能源汽車的關鍵原材料做出評估，并且多從原生資源角度考慮，忽略了城市礦產循環利用對原材料供應的影響。在此背景下，本文界定新能源汽車關鍵原材料，建立原材料全球供應風險評估指標體系，對新能源汽車關鍵原材料進行全球供應風險評估，為提高新能源汽車關鍵原材料的保障能力提供科學依據。

1　研究方法

1.1　研究對象的界定

根據中國國務院頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》，新能源汽車是指采用新動力系統，完全或主要依靠新型能源驅動的汽車，包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車[19]。與傳統汽車相比，在構成部件方面，新能源汽車新增了電動機、逆變器、動力電池等電機及電子部件，減少了發動機及其周邊部件，如氣缸、燃料箱、排氣管、鉛蓄電池等。在構成材料方面，用于這些部件的鋁合金、特種鋼、工程塑料等材料會有所減少，而高性能磁鐵、鋼板、銅、鋰化物、鈷化物、碳、鋁合金、樹脂等材料用料將會增加[20]，具體如下：從動力電池材料看，正極材料包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料(鎳鈷錳、鎳鈷鋁等)；負極材料相對穩定，以石墨為主，也有少量以鈦酸鋰做負極材料；隔膜通常為氧化鋯纖維材料。燃料電池汽車的能量來源是氫，需要鉑族金屬作為催化劑使產生能量[2]。為保證新能源汽車的續航能力，要求新能源汽車的驅動電具備高密度、高效率和強可靠性的特點[3]，稀土永磁同步電機是當前的主流技術，主要物質為釹鐵硼，含有大量的鐵和稀土元素釹。通常情況下還會混合少量的鎵和稀土元素中的鏑、鐠、鋱以保證永磁電機的耐熱性。電子電力系統實現了直流電和交流電的轉化，需要一定的鈀、金、鍺、銦和銀等金屬來實現。在保證新能源汽車強度和安全性能的前提下，新型纖維復合材料、鎂鋁合金、含鉻的高強度鋼、鈦合金以及一些非金屬基復合材料等都在新能源汽車輕量化和安全性方面有巨大的應用潛力[20-22]。

通過整理現有文獻、汽車生產商報告等資料，并結合新能源汽車和新材料領域多位專家意見，本文最終確定了鉻、鋁、鍺、鈷、錫、鐵、銦、鋅、錳、鋯、銀、金、鎳、銅、鎵、稀土、石墨、硒、鎂、硅、鉑、鈦和鋰23種關鍵原材料作為研究對象(見圖1)。

圖1　新能源汽車關鍵原材料

1.2　指標體系的構建與測量

目前關于新能源汽車關鍵原材料供應風險評估的研究還比較少，尚未形成完善的評估體系，但對原材料供應風險評估方法的研究有很多。美國國家研究委員會[5]、歐盟委員會[6]、中國國土資源部[23]等組織和機構根據各國或地區產業發展的重點從不同層面構建指標體系對稀有礦產資源的供應風險進行評價。從具體評估指標來看，生產集中度、資源耗竭時間、世界治理指標、人類發展指數在礦產資源供應風險評估中出現的次數較多，也有一些機構使用了進口依賴、進口集中度等指標，但使用頻次較少。本文是從全球尺度進行研究，不考慮進出口對原材料全球供應風險的影響。

總體來看，耶魯大學Graedel團隊[24]所提出的原材料供應風險評估方法比較全面成熟，并被廣泛應用，本文參考耶魯大學和楊丹輝等人的評估方法，從資源供應潛力和資源供應能力兩個方面，構建了一套包括3個一級指標、5個二級指標的評估體系(見圖2)，對新能源汽車關鍵原材料的全球供應風險進行評估。

圖2　新能源汽車關鍵原材料全球供應風險 評價指標及權重

(1)地質性、技術性及經濟性因素。影響資源供應潛力的根本因素是資源的儲量，同時開采技術、開采成本等因素會影響資源的開采量。本文借鑒了日本先進工業科技研究所在《金屬的關鍵性評估——基于日本的資源戰略》中提出的原材料消耗時間等級劃分方法(見表1)，并結合功效系數法，對新能源汽車關鍵原材料的儲產比進行轉化，方法如下：根據日本先進工業科技研究所的風險等級劃分標準，設定每組基礎得分并計算調整分，原材料儲產比風險得分由基礎分和調整分組成，得分越高表示原材料供應的保障程度越高，面臨的風險也就越低。

(1)

(2)社會發展水平和監管政策因素。社會發展水平和監管政策因素主要對礦產資源的開發能力有重要影響，反映出原材料供應能力，主要通過人類發展指數(HDI)、礦業政策潛力指數(PPI)兩個指標來衡量該因素隱含的供應風險：

① 人類發展指數(HDI)。現有研究通常采用人類發展指數作為衡量社會經濟發展水平的評價指標。一個國家或地區的人類發展指數越高，經濟活動的穩定性也就越高，原材料開發的穩定性也就越高。本文參考Graedel的處理方法，先對人類發展指數進行處理轉化，以原材料生產國占全球生產總額的比重為權重，進行加權平均。社會發展水平隱含的原材料供應風險的表達式如下：

SRHDI=∑Wi×(100-100×HDIi)

(2)

其中，Wi表示原材料的某生產國產量占全球產量的比重，HDIi表示該國的人類發展指數。通過式(2)轉化，SRHDI值越高，社會發展水平隱含的供應風險就越高。

② 礦業政策潛力指數(PPI)。由加拿大菲莎研究所發布的礦業政策潛力指數用以衡量礦業監管政策對礦產資源勘探開發的影響，礦業政策透明和穩定程度決定了其對礦業勘探投資的影響，進而影響供應風險。礦業政策潛力指數的分布范圍是[0～100]，數值越高表示該國家或地區的政策潛力越高，越能促進原材料的勘探開發。首先，將PPI進行逆向處理，使數值越高，資源的供應風險越高。然后，以原材料生產國占全球生產總額的比重為權重，進行加權平均。礦業政策潛力所隱含的原材料供應風險表達式如下：

SRPPI=∑Wi×(100-PPIi)

(3)

其中，Wi表示原材料的某生產國產量占全球產量的比重，PPIi表示該國的礦業政策潛力指數。通過式(3)轉化，SRPPI值越高，礦業監管政策隱含的供應風險就越高。

(3)地緣政治因素。地緣政治因素是影響資源供應能力的另一個重要因素，主要通過政治穩定與無暴力程度和全球供應集中度兩個指標衡量該因素對原材料供應風險的影響：

① 政治穩定與無暴力程度(WGI-PV)。一個國家或地區政局的動蕩不安，不僅會影響到礦業生產的穩定性，還會影響到礦業的長期發展。根據世界銀行發布的世界治理指標中的政治穩定與無暴力程度WGI-PV來對原材料生產國的政治環境進行供應風險的評價。WGI-PV的原始數值在[0～100]之間，數值越大，表示該國家或地區的政治環境越穩定。與HDI、PPI的處理方式相同，先將WGI-PV進行逆向處理，再根據原材料的產量占比進行加權。政治穩定與無暴力程度所隱含的原材料供應風險表達式如下：

SRWGI-PV=∑Wi×(100-WGI-PVi)

(4)

其中，Wi表示原材料生產國產量占全球產量的比重，WGI-PVi表示該國家的政治穩定與無暴力程度。通過式(4)轉化，SRWGI-PV值越高，隱含的供應風險就越高。

② 全球供應集中度(HHI)。礦產資源的生產供應若集中在某一個國家或地區，一旦該國家或地區的礦業監管政策、政治局勢等條件發生變化，就會對礦產資源的供應產生很大的影響。按照產業組織的研究方法，采用赫芬達爾-赫希曼指數(HHI)對礦產資源的全球供應集中度進行測量。某礦產資源各個國家生產占比平方的總和即是該種礦產資源的全球供應集中度。根據美國司法部指南，市場集中度可以HHI劃分為三個等級，低于0.15屬于低度集中市場，0.15～0.25屬于中度集中市場，高于0.25屬于高度集中市場。采用功效系數法對HHI進行轉化，如表2所示。

表2　HHI等級劃分與基值設定

(5)

最后，通過加權平均法對指標進行匯總，得到各關鍵原材料的全球供應風險,計算公式如下：

(6)

1.3　風險等級劃分

本文參考耶魯大學、通用公司[25]等的研究，將風險劃分為高風險、中高風險、中風險、中低風險和低風險五個等級，如表3所示。

1.4　數據來源

本文數據來源主要是2017年最新公開出版的文獻、報告以及政府或其他國際組織的統計數據。其中，原材料的全球及各國家或地區的產量、儲

表3　新能源汽車關鍵原材料的全球供應風險等級

量數據來源于美國地質調查局(USGS)2017年公布的Mineral Commodity Summaries；人類發展指數(HDI)來源于聯合國開發計劃署發布的報告；礦業政策潛力指數(PPI)由加拿大菲莎研究所獲取；世界治理指標(WGI-PV)來自世界銀行發布的數據。

1.5　不確定性分析

本文的數據主要來源于美國地調局、聯合國環境署、世界銀行等機構公開發表的報告和文獻資料，個別數據存在缺失情況而根據以往數據推算獲得。為檢驗評估結果的可靠程度，本文借鑒耶魯大學[24]和楊丹輝等[18]的做法，采用蒙特卡洛法對各影響因素進行不確定性分析。蒙特卡洛方法以概率論與數理統計原理為基礎，通過反復進行隨機抽樣來模擬影響因素的不確定性對供應風險的影響。步驟如下：①首先計算各影響因素的基準標準差并進行標準化處理；②將數據的可靠性設定為五個層次，根據可靠性設置每種原材料的誤差倍數，按照不確定性由低到高依次設置為標準差的一倍到五倍；③根據每種原材料的誤差倍數和每個影響因素的標準差計算出每種原材料的標準差，再利用軟件進行下一步的模擬處理。

2　研究結果

2.1　新能源汽車關鍵原材料全球供應風險評估

(1)新能源汽車關鍵原材料全球供應風險結果分析。新能源汽車關鍵原材料全球供應風險評估結果如表4所示，在新能源汽車23種關鍵原材料中，錫的供應風險最高，鉻、鍺次之，鋰最低。

表4　新能源汽車關鍵原材料全球供應風險

注：地質性、技術性及經濟性因素下儲產比(R/P)表示原始值，即礦產資源的可開采年限，HDI、PPI、WGI-PV、HHI分別表示各個指標的風險值，社會發展水平及監管政策因素風險為HDI和PPI的平均值，地緣政治因素風險為WGI-PV和HHI的平均值。

從地質性、技術性及經濟性因素來看，新能源汽車關鍵原材料儲產比所隱含的供應風險最高的是鉻，稀土、石墨、鋰、鎂、硅的風險最低。鉻熔點高、質硬、耐腐蝕，是不銹鋼及部分特種合金中不可替代的基本元素，90%的鉻資源都用于生產不銹鋼，并被廣泛應用到航空、宇航、汽車及國防工業生產槍炮、火箭等，對軍事和國民經濟有重要影響。據美國地調局2017年公布數據，鉻的全球儲量為50000萬噸，全球開采總量3040萬噸，靜態條件下，資源可開采量在16年左右，在新能源汽車23種關鍵原材料中最低。從未來產業發展趨勢來看，航空航天、汽車、國防等工業對鉻的需求仍然增長，鉻的資源供應潛力仍面臨較高風險。錫、金、鋅等資源的靜態可開采年限也處于較低水平，也面臨較高的資源潛力風險。受限于數據的可得性，本文并未對稀土進行輕、重的區分，當前稀缺的是離子吸附性重稀土礦，而輕稀土并不稀缺[18]。因此，所計算數據顯示稀土的資源潛力所隱含的供應風險最低。新能源汽車動力電池所需要的稀土、石墨、鎂、硅、鋰等可開采年限相對較高，資源潛力風險低。

從社會發展水平來看，鈷資源全球儲量的53.66%分布在剛果(金)，該地區的人類發展指數較低，鈷資源的供應存在著很大的風險。從礦業監管政策來看，錫、鉻、石墨的礦業潛力政策所隱含的供應風險較高。錫資源主要分布在礦業政策潛力指數相對較高的中國、印度尼西亞、巴西等國家，礦業監管政策不確定性較大，該項隱含的供應風險較高。對于鉻、石墨來說，主要產出國是南非、印尼、菲律賓、中國、印度等發展中國家，出口、開采等礦業政策同樣面臨著很大的不確定性，礦產勘探、投資等穩定性較差，導致鉻、鎳和石墨的全球供應面臨較大的風險。而硒資源的主要生產國是德國和日本，社會發展處于較高水平，因而風險較低。綜合考慮社會發展水平和礦業監管政策因素，錫的風險最高，硒的風險最低。

從政治穩定與無暴力程度指標來看，在新能源汽車所需的23種關鍵原材料中，石墨、的風險最高，硒的風險最低。整體看來，政治穩定與無暴力程度和礦業監管政策對原材料風險的影響基本一致。石墨、錫的生產國主要集中在印度、印尼、中國等發展中國家，WGI-PV值較低，導致供應風險較高。從全球供應集中度來看，83.33%的稀土資源都由中國生產供應導致稀土資源的風險最高，鎳、鈦等資源較均衡的分散在世界各國而風險最低。綜合考慮政治穩定與無暴力程度和全球供應集中度兩個指標，稀土的風險最高，鈦的風險最低。

(2)新能源汽車關鍵原材料風險等級評估。如圖3所示，從新能源汽車關鍵原材料全球供應風險等級劃分結果可以看出，在新能源汽車所需23種關鍵原材料中，錫、鉻、鍺錫這3種資源處于中高風險水平；鈷、銦、鋅、錳、鋯、銀、鎳、鐵、金、銅、鎵、硒、鋁這13種處于中風險水平；稀土、鉑族、石墨、鎂、硅、鈦、鋰這7種處于中低風險水平。

(3)不確定性分析。假設影響原材料供應風險的三個影響因素的數據均服從正態分布，根據每種原材料的標準差和均值，利用Normrnd函數通過10000次迭代產生正態分布的隨機數，根據每種原材料的風險模擬結果繪圖。圖4繪制了新能源汽車23種關鍵原材料全球供應風險不確定性分析的結果，未出現一種原材料風險波動范圍大面積覆蓋另一種的情況，評估結果可信度高。

圖3　新能源汽車關鍵原材料全球供應風險等級劃分

圖4　新能源汽車關鍵原材料全球供應風險不確定性云圖

2.2　進一步情景分析

隨著自然資源的生產和消費，大量礦產資源蓄積在產品中，以在用存量或廢棄物的形態不斷堆積在城市中，形成豐富的城市礦產[26]，且礦產種類越來越豐富。資源的循環性使得城市礦產對資源供給具有重要的乘數效應。對于一單位的任意資源，如果其回收利用率達到90%，則一次循環可增加0.9倍的資源量，二次循環可增加1.7倍的資源量，無限次循環則可增加9倍資源量[27]。因此，城市礦產的循環利用能夠降低對原材料的開采需求，提高可開采年限，緩解供應壓力，為新能源汽車關鍵原材料的供給開辟了新的渠道。本部分分析了新能源關鍵原材料在一次、二次以及無限循環的情景下其全球供應風險的變化，其中回收率采用Graedel研究中的全球平均報廢后回收率[28]。

(1)城市礦產循環利用對新能源汽車關鍵原材料供應風險的調節效應。從整體來看，考慮城市礦產循環利用對供應風險的調節后，新能源汽車關鍵原材料的全球供應風險發生了一定的變化。不考慮資源循環情景下，新能源汽車關鍵原材料全球供應風險均值為46.52；一次循環情景下，全球供應風險平均值為44.00，平均降低5.30%；二次循環情景下，全球供應風險平均值為42.57，平均降低8.13%；無限循環情景下，全球供應風險平均值為35.00，平均降低22.66%，如表5所示。

城市礦產循環利用對新能源汽車關鍵原材料全球供應風險調節效應如圖5所示，根據分析，可將調節效應分為三類:

①12種關鍵原材料調節效應顯著。鎳、銅、銀、錳、鈷、鐵、鋅、金、錫、鉻、鋁、鉑族12種關鍵原材料的全球平均報廢后回收率達75%，原材料的循環利用對可開采年限產生很大影響，調節效應顯著，風險顯著降低。值得注意的是，鉑族和鋁兩種原材料在一次、二次循環后，可開采年限即超過200年，資源潛力風險已經降低至0，二次循環和無限循環后，盡管可開采年限提高，但風險值維持在中低水平，不再變動。

②6種關鍵原材料調節效應一般。鈦、鎵、鋯、硒、鍺、銦6種關鍵原材料一、二次循環的調節效應不明顯，無限次循環調節效應顯著。這六種關鍵原材料的全球平均報廢后回收率只有0.5%，資源一次循環、二次并未對可開采年限產生顯著影響。無限次循環后，調節效應產生效果，可開采年限提高，供應風險水平下降。

③5種關鍵原材料調節效應不顯著。稀土、石墨、鎂、硅、鋰5種關鍵原材料的風險未發生變動。這5種關鍵原材料現有可開采年限超過200年，資源潛力風險已達到最低水平0，因此在城市礦產循環利用的調節下，雖然可開采年限進一步提高，但風險值不再發生變動。

表5　城市礦產循環利用情景下新能源汽車關鍵原材料全球供應風險變化

注：風險變動值 = 考慮資源循環的風險值 - 不考慮資源循環的風險值，風險減小幅度=(不考慮資源循環的風險值 - 考慮資源循環的風險值)/不考慮資源循環的風險值。

圖5　城市礦產循環利用對新能源汽車關鍵原材料全球供應風險的調節效應

(2)新能源汽車關鍵原材料全球供應風險等級變化。通過城市礦產循環利用對原材料供應風險的調節效應評估結果，可以發現，新能源汽車關鍵原材料的全球供應風險等級發生了較大變化，中高風險原材料種類減少，中低風險、低風險原材料種類增加，如圖6所示。具體來看，一次循環后，鐵、鋁由中風險降為中低風險；二次循環后，新增銅由中風險降為中低風險；無限循環后，鉻、錫由中高風險降為中風險，鈷、鋅、錳、銀、鎳、金6種關鍵原材料由中風險降為中低風險，銅由中低風險降為低風險。

圖6　不同情景下新能源汽車關鍵原材料全球供應風險等級變化

3　結論與建議

3.1　結論

(1)不考慮城市礦產循環利用的情景下，在新能源汽車23種關鍵原材料中，錫的風險最高，鉻、鍺、鈷的風險依次降低，鋰的風險最低。從地質性、技術性及經濟性因素看，鉻、錫、鋅、金、銀、銦、鍺、鎳、銅9種關鍵原材料供應潛力風險處于較高水平，稀土、石墨、鎂、硅、鋰5種關鍵原材料供應潛力風險低。從社會發展水平和監管政策因素看，錫的供應能力風險高，硒的供應能力風險低。從地緣政治因素看，稀土的供應能力風險最高，鈦的供應能力風險最低。

(2)在考慮城市礦產循環利用后，新能源汽車23種關鍵原材料的供應風險呈現出不同程度的降低。從城市礦產循環利用對新能源汽車關鍵原材料的調節效應看，對鎳、銅、銀、錳、鈷、鋅、金、鐵、錫、鉻、鋁、鉑族12種關鍵原材料調節效應顯著，鈦、鎵、鋯、硒、鍺、銦6種關鍵原材料調節效應一般，對稀土、石墨、鎂、硅、鋰5種關鍵原材料調節效應不顯著。從關鍵原材料供應風險等級看，城市礦產的循環利用使中高風險關鍵原材料種類由3種減少至1種，中風險關鍵原材料種類由13種減少至6種。

3.2　建議

(1)建立關鍵原材料供應風險動態評估機制。應緊盯國際市場技術創新，結合新形勢及時調整、開發新能源汽車關鍵原材料，并進行風險評估。

(2)對新能源汽車關鍵原材料實行分類管理。考慮到不同原材料的供應風險存在差異，應對其實施差別化管理。對于供應風險較高的原材料，一方面加強地質勘查工作，尋找潛在的資源；另一方面提高資源利用效率，減少浪費；此外還需加強替代材料的研發。而對于目前風險較低的原材料，則應優化資源的長短期配置，確保資源的長期可持續供應。

(3)加強城市礦產開發利用。城市礦產作為關鍵原材料的重要來源，其循環利用將會緩解關鍵原材料的供應壓力，具有戰略性開發價值。建立城市礦產儲量數據庫，加強城市礦產回收體系建設，提高城市礦產資源化利用率，完善城市礦產開發政策支持體系，以有效降低對原生礦的需求。

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