王曉明

1 鈷在全球新能源汽車市場(chǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 鈷的應(yīng)用市場(chǎng)逐步向鋰電池傾斜

傳統(tǒng)上，鈷主要的消費(fèi)市場(chǎng)分布在鋰電池材料、硬質(zhì)合金、高溫合金、磁性材料等領(lǐng)域。隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域3C產(chǎn)品及電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域的迅猛擴(kuò)展，鋰電池領(lǐng)域已逐漸成為鈷的第一大應(yīng)用市場(chǎng)。據(jù)世界金屬統(tǒng)計(jì)局（WBMS）統(tǒng)計(jì)，2020年全年鈷消費(fèi)量預(yù)計(jì)達(dá)到13.1萬金屬噸，2020年全球和中國(guó)市場(chǎng)鋰電池領(lǐng)域鈷的消費(fèi)占比將分別達(dá)到69%和84%，2020年全球正極材料鈷消耗量約8.5萬金屬噸，同比增長(zhǎng)11%；其中鈷酸鋰用鈷5.3萬t，三元材料用鈷3.9萬t。由于新能源汽車的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力鋰電中正極材料的需求與日俱增，加之近幾年車用鋰電正極材料主要采用三元體系，因此激發(fā)了電池行業(yè)對(duì)鈷金屬后續(xù)需求的樂觀預(yù)估。

1.2 車用動(dòng)力電池是未來鋰電市場(chǎng)最大增長(zhǎng)點(diǎn)

“碳中和”及碳減排已經(jīng)逐漸成為全球共同的價(jià)值觀，新能源汽車在全球范圍內(nèi)均被視為重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，即使在2020年新冠疫情的影響下，全球各重要經(jīng)濟(jì)體卻明確將其作為未來發(fā)展方向，各國(guó)和主力車企陸續(xù)公布燃油車禁售時(shí)間表和新能源汽車發(fā)展目標(biāo)。2021年1月，美國(guó)總統(tǒng)拜登上任后首次簽署行政令，重新加入巴黎氣候協(xié)定。中國(guó)宣布力爭(zhēng)碳排放于2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，即碳排放總量為零。全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為主要經(jīng)濟(jì)體疫情后刺激經(jīng)濟(jì)的主要著力點(diǎn)，正在迎來新一輪的成長(zhǎng)機(jī)遇期。

2020年也是全球電動(dòng)汽車（EV）年銷量首次突破300萬輛的一年。根據(jù)EV Sales Blog的數(shù)據(jù)，2020年全球電動(dòng)汽車銷量約為312.5萬輛，同比增長(zhǎng)41%，汽車市場(chǎng)占比份額達(dá)到4%。其中，純電動(dòng)汽車（BEV）的市場(chǎng)份額為2.8%，插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）的市場(chǎng)份額為1.2%。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成136.6萬輛和136.7萬輛，同比分別增長(zhǎng)7.5%和10.9%。其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別完成110.5萬輛和111.5萬輛，同比分別增長(zhǎng)5.4%和11.6%（具體情況見圖1）。

根據(jù)EV Sales Blog的數(shù)據(jù)，2020年歐洲電動(dòng)乘用汽車銷量創(chuàng)下史上最高紀(jì)錄，同比增長(zhǎng)142%，全年電動(dòng)車銷量超過136萬輛，超過中國(guó)市場(chǎng)，成為全球最大電動(dòng)乘用車市場(chǎng)（見圖2）。分電池體系來看，歐洲電動(dòng)車以NCM/NCA三元鋰電池配套為主。

2020年美國(guó)電動(dòng)汽車銷量同比增長(zhǎng)4%，而汽車市場(chǎng)銷量同比降低15%（見圖3），這主要來得益于Model—Y的推出。美國(guó)市場(chǎng)依然以NCM/NCA三元鋰電池配套為主。

1.3 三元材料在車用動(dòng)力電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

EV Tank發(fā)布的白皮書數(shù)據(jù)顯示，2020年全球鋰離子電池出貨量達(dá)到294.5GWh，得益于歐洲新能源汽車市場(chǎng)的超預(yù)期增長(zhǎng)，全球汽車用動(dòng)力電池（EV Lib）出貨量同比增長(zhǎng)26.4%，達(dá)到158.2GWh，中國(guó)市場(chǎng)汽車用動(dòng)力電池（EV Lib）出貨量為84.5GWh。分材料體系來看，海外電動(dòng)車目前幾乎均為三元電池，中國(guó)市場(chǎng)呈現(xiàn)三元電池為主，磷酸鐵鋰電池快速追趕，未來可能呈現(xiàn)并駕齊驅(qū)的趨勢(shì)。

中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布最新數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量累計(jì)63.6GWh，同比上升2.3%。其中三元電池裝車量累計(jì)38.9GWh，占總裝車量61.1%，同比累計(jì)下降4.1%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計(jì)24.4GWh，占總裝車量38.3%，同比累計(jì)增長(zhǎng)20.6%（見圖4）。

雖然在疫情因素影響下，2020年上半年國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)表現(xiàn)略顯不佳，但是隨著小動(dòng)力、儲(chǔ)能等市場(chǎng)的崛起以及下半年全球新能源汽車市場(chǎng)的復(fù)蘇，2020年國(guó)內(nèi)各鋰電原材料產(chǎn)量均取得較大幅增長(zhǎng)。據(jù)鑫欏資訊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年國(guó)內(nèi)4大正極材料總產(chǎn)量51.9萬t，同比增長(zhǎng)20.8%，其中磷酸鐵鋰材料表現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)，產(chǎn)量達(dá)到14.2萬t，同比增長(zhǎng)45.7%。鈷酸鋰與錳酸鋰正極材料的產(chǎn)量分別為7.38萬t及9.29萬t，同比分別增長(zhǎng)24.8%及21.6%；三元材料產(chǎn)量增速最緩，僅7%，全年總量約為21萬t。

目前在車用動(dòng)力電池上量產(chǎn)的三元?jiǎng)恿Σ牧现饕蠳CM333系列、NCM523系列、NCM622系列和NCM811系列以及NCA產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)三元材料技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度較快，由于多元化的靈活性要求，中國(guó)市場(chǎng)上還衍生出一些偏比例產(chǎn)品，如Ni：Co：Mn=65：15：20及55：15：30等等。

1.4 鈷在三元?jiǎng)恿﹄姵貞?yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2020年數(shù)據(jù)顯示，全球鈷礦資源儲(chǔ)量約為698.9萬金屬噸，鈷礦絕大多數(shù)屬于銅、鎳的伴生礦，原生鈷礦占比不超過5%，鈷的供應(yīng)受銅、鎳礦產(chǎn)量影響較大，鈷產(chǎn)量與鎳、銅產(chǎn)量息息相關(guān)，單獨(dú)開采鈷成本較高，因此鈷供應(yīng)的彈性較小，供應(yīng)并不隨鈷的需求增加而增加。

全球鈷的資源儲(chǔ)量高度集中，剛果（金）的鈷儲(chǔ)量為360萬金屬噸，占全球鈷儲(chǔ)量的52%，居世界第1，而中國(guó)鈷儲(chǔ)量約為8萬金屬噸，全球占比僅1.1%。我國(guó)鈷資源主要集中在甘肅，金川是我國(guó)最大的鎳鈷資源和生產(chǎn)基地。剛果（金）是全球最主要的鈷礦生產(chǎn)國(guó)，位于非洲中西部，在剛果（金）及其周圍國(guó)家和地區(qū)境內(nèi)的錫石、黑鎢、鈳鉭、鐵礦和黃金等稀有金屬開采與沖突的武裝組織有關(guān)（資助），導(dǎo)致該地區(qū)長(zhǎng)期不穩(wěn)定，已造成嚴(yán)重的人權(quán)與環(huán)境問題，對(duì)產(chǎn)業(yè)終端企業(yè)和下游產(chǎn)業(yè)鏈安全有重要影響。

2020年嘉能可斯特拉塔股份有限公司在全球鈷的市場(chǎng)份額達(dá)到20%，洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司、浙江華友鈷業(yè)股份有限公司、歐亞資源集團(tuán)（ERG）和Chemaf Sarl鈷礦公司市場(chǎng)份額分別占比10%、9%、7%和6%，前5家合計(jì)占據(jù)全球52%的份額。嘉能可是全球最大的鈷生產(chǎn)商和貿(mào)易商，控制了剛果（金）最優(yōu)質(zhì)的銅鈷礦山，其經(jīng)營(yíng)策略對(duì)于全球鈷供需及其預(yù)期的邊際影響權(quán)重較大，一定程度上掌握了全球鈷市場(chǎng)的定價(jià)權(quán)。

在鈷原料加工環(huán)節(jié)，中國(guó)占據(jù)全球67%的精煉鈷產(chǎn)量，是最重要的鈷精煉基地，中國(guó)的鈷原料94%進(jìn)口自剛果（金），其中約60%從南非出港運(yùn)往中國(guó)，2020年和2021年初因非洲疫情影響，港口封閉或陸運(yùn)等因素導(dǎo)致國(guó)際鈷價(jià)格劇烈波動(dòng)，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈造成了巨大影響。

鈷價(jià)波動(dòng)幅度較大，過去20年，鈷價(jià)高幅達(dá)到約48美元/磅（折合人民幣約86萬元/t），低幅跌到8美元/磅（折合人民幣15萬/t），價(jià)格差距高達(dá)6倍，且出現(xiàn)多次暴漲暴跌的現(xiàn)象。2002年開始，由于全球電子產(chǎn)品和高溫合金的對(duì)鈷的大量需求，同時(shí)剛果（金）政府開始執(zhí)行禁止出口未加工的鈷的禁令，鈷礦石產(chǎn)量現(xiàn)10年來首次下降，出現(xiàn)供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求的情況，鈷價(jià)開始暴漲，在2008年達(dá)到高位。在鈷的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大的背景下，中國(guó)生產(chǎn)和消費(fèi)精煉鈷也在快速增長(zhǎng)，成為世界最大的精煉鈷生產(chǎn)基地，隨著2008年全球爆發(fā)金融危機(jī)，鈷價(jià)格又現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)7年的下跌周期。

2016年全球電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，三元鋰電池用鈷成為鈷需求增速最快、空間最大的領(lǐng)域。在全球新能源汽車爆發(fā)和各類市場(chǎng)炒作力量的綜合影響下，鈷逐漸進(jìn)入了又一輪大周期，而剛果（金）政府政策的不確定性（新礦業(yè)法），以及不穩(wěn)定的時(shí)局，也帶來更多的擾動(dòng)。最終在2018年4月份達(dá)到頂峰，隨后由于全球電動(dòng)汽車推廣不及預(yù)期，中國(guó)對(duì)電動(dòng)車補(bǔ)貼退坡，電動(dòng)車安全性頻發(fā)的背景下，鈷價(jià)開始急速回落。2020年國(guó)際市場(chǎng)鈷價(jià)在13～18美元/磅（折合人民約22萬～31萬元/t）之間波動(dòng)。2021年初開始，在新冠疫情、全球大范圍經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃和全球電動(dòng)車需求超預(yù)期的影響下，價(jià)格又一次快速上漲。大起大落的價(jià)格劇烈波動(dòng)對(duì)下游電池廠、整車廠的成本造成了巨大壓力和供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)。以特斯拉等為代表的下游車企和寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司（CATL）、SK等為代表的鋰電池企業(yè)為確保供應(yīng)鏈安全和成本可控，一方面通過技術(shù)途徑不斷探索高鎳化、低鈷化甚至無鈷化動(dòng)力電池技術(shù)探索降低鈷的需求，另一方面直接到剛果源頭采購鈷資源保障自用鈷資源的穩(wěn)定性。盡管如此，在動(dòng)力電池的組成金屬之中，鈷的價(jià)格最高鈷價(jià)的高價(jià)和價(jià)格波動(dòng)幅度仍然給下游的車企和動(dòng)力電池企業(yè)帶來巨大的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，車企和動(dòng)力鋰電企業(yè)必會(huì)持續(xù)從技術(shù)層面及供應(yīng)穩(wěn)定性上不斷減少鈷的使用。

2 動(dòng)力電池?zé)o鈷化、高鎳化背景下鈷的應(yīng)用前景

根據(jù)美國(guó)能源部資料，如果電動(dòng)汽車要與汽油或柴油汽車競(jìng)爭(zhēng)，電動(dòng)汽車則必須達(dá)到125美元/kWh（0.8元/Wh）的價(jià)格。美國(guó)能源部估計(jì)到2022年將達(dá)到這一臨界值。某些其他研究機(jī)構(gòu)表示，當(dāng)電池成本降低至100美元/kWh（0.7元/kWh）時(shí)，可以替代汽油/柴油。

針對(duì)成本下降和能量密度提升的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，中國(guó)動(dòng)力電池采取的正極材料體系的技術(shù)路線主要有3個(gè)，一是三元材料高鎳低鈷路線，二是三元材料低鎳高電壓路線，三是疊加刀片電池等模組簡(jiǎn)化技術(shù)的磷酸鐵鋰路線。

2.1 三元?jiǎng)恿﹄姵馗哝嚨外捇?/p>

三元?jiǎng)恿﹄姵夭捎玫恼龢O材料從最初的NCM333逐漸增加鎳的用量，降低鈷的用量，直至鎳上升到90%以上，鈷減到無鈷，并配合負(fù)極加硅，電解質(zhì)從有機(jī)溶劑逐步向全固態(tài)電池發(fā)展。從能量密度的角度來看，高鎳三元材料優(yōu)勢(shì)較為明顯：NCM/NCA電芯能量密度達(dá)到280～300Wh/kg，電池包能量密度180～210Wh/kg；LFP電芯能量密度達(dá)到200Wh/kg，電池包能量密度≥160Wh/kg；錳酸鋰電芯能量密度達(dá)到170Wh/kg，電池包能量密度135Wh/kg。但是從成本的角度來說，無鈷的LFP體系鋰電池有顯著的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比2020及2019年動(dòng)力三元電池產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，高鎳化趨勢(shì)依舊明顯。2020年三元材料523占比56%，相比于2018年比重基本不變；NCM622占比17%，相比于2018年比重下降6.2%；高鎳811（NCM811）占比24.3%，相較于2019年比重有較大提升。

由于2020年夏天高鎳車型安全事故頻發(fā)，市場(chǎng)對(duì)高鎳三元的應(yīng)用更為謹(jǐn)慎，加上電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化，5系三元+CTP技術(shù)逐步使用至新車型上，國(guó)內(nèi)5系三元應(yīng)用比例有所增加，國(guó)內(nèi)8系需求穩(wěn)定，8系材料的需求增量基本來自國(guó)外。

為滿足未來電動(dòng)車?yán)锍绦枨?，高鎳化是三元材料發(fā)展的必經(jīng)之路，未來隨著明星高端車型的研發(fā)，以及電池廠高鎳電池研發(fā)安全方面取得突破，同時(shí)可以應(yīng)用于無模組動(dòng)力電池包（CTP）技術(shù)，高鎳三元材料產(chǎn)量占比或?qū)⑦M(jìn)一步上升。

2.2 三元?jiǎng)恿﹄姵刂墟嚫唠妷?/p>

鋰電池在高電壓、長(zhǎng)周期循環(huán)情況下，正極材料粉化比較明顯，電芯容易出現(xiàn)循環(huán)跳水。近幾年來發(fā)展較快的單晶型的三元材料由于晶體機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，不但產(chǎn)熱量少，安全性能更為優(yōu)異，在高電壓環(huán)境中容量發(fā)揮也較高，有效提升了鋰電池的能量密度。

同時(shí)由于中鎳如5系、6系三元材料的生產(chǎn)技術(shù)成熟，目前材料成本比8系高鎳低15%～25%。配合高電壓應(yīng)用也可以達(dá)到高鎳811常電壓下的能量密度，因此在我國(guó)市場(chǎng)上得到快速應(yīng)用。目前5系、6系和7系三元材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4.3～4.35V高電壓化，8系三元材料由于安全性能略差，目前仍主要在常電壓下使用。

中鎳三元材料高電壓體系是三元?jiǎng)恿﹄姵囟唐趦?nèi)比較安全可靠的技術(shù)路線之一。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，高鎳811體系也有可能實(shí)現(xiàn)高電壓下的應(yīng)用。

2.3 動(dòng)力電池?zé)o鈷化——磷酸鐵鋰和高鎳無鈷正極

在電芯成本快速下降的迫切壓力下，車企和鋰電池企業(yè)尋求成本更低的材料體系，同時(shí)改良電池成組技術(shù)，降低在模組和電池包方面的空間和零部件損耗，進(jìn)一步擴(kuò)大了磷酸鐵鋰電芯的應(yīng)用場(chǎng)景。

磷酸鐵鋰體系動(dòng)力電池的主要生產(chǎn)和應(yīng)用都在中國(guó)，但由于能量密度低，在乘用車上的應(yīng)用受到制約。此次比亞迪在模組集成技術(shù)上獲得突破，采用刀片電池技術(shù)，使得“漢”純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程超過600km。磷酸鐵鋰電池由于安全性好、成本低，成為中國(guó)車企中低端車型的主要選擇。磷酸鐵鋰未來對(duì)三元體系鋰電池的沖擊不容忽視。

由于鈷價(jià)的昂貴和高幅波動(dòng)，降低三元正極材料中的鈷含量甚至開發(fā)無鈷材料是目前正極材料的研發(fā)趨勢(shì)。比如鎳錳酸鋰、鎳鎂酸鋰、鎳鋁酸鋰等二元體系的正極材料，二元正極材料的技術(shù)瓶頸在于比容量和循環(huán)性能。但隨著車企和動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)于正極材料無鈷化呼聲愈演愈烈，特斯拉Elon Musk指出Tesla所用電池中三元材料的鈷含量已經(jīng)小于3%，預(yù)計(jì)下一代電池中將不含鈷。長(zhǎng)城汽車下屬蜂巢能源電池也推出了無鈷材料和四元材料。未來高端電動(dòng)車型上采用低鈷化正極材料的趨勢(shì)越來越明晰。

3 未來鈷應(yīng)用前景展望

3.1 作為電池正極材料的添加劑

高鎳NCM/NCA材料能量密度高，是高端電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池的首選正極材料。高鎳三元材料未來發(fā)展的最大隱患是安全問題，若解決了高鎳三元材料電池的安全問題，電動(dòng)車的續(xù)航里程還可以進(jìn)一步提升，甚至高鎳三元材料也可以應(yīng)用高電壓體系，并可以采用鋰電池CTP集成方案，未來高鎳三元電池電動(dòng)車實(shí)際續(xù)航里程可能達(dá)到800～1000km，屆時(shí)可能開啟電動(dòng)汽車大規(guī)模替代油車的大幕。可以預(yù)期高鎳三元材料未來在固態(tài)鋰電池中也會(huì)發(fā)揮重要作用。目前高鎳NCM的鎳（Ni）比例已經(jīng)開始向Ni90%～Ni95%發(fā)展，鈷（Co）在高鎳NCM中的比例已經(jīng)逐步下降至5%以下，未來有可能相當(dāng)于添加劑的分量。

3.2 高電壓材料進(jìn)一步發(fā)展，中鎳三元生命周期仍較長(zhǎng)

高電壓多元材料可以提高材料能量密度，一方面能夠提高電池的實(shí)際使用電壓，另一更重要的方面是也能夠脫出更多的鋰離子，增加容量。多元材料如N C M622體系在提高工作電壓后比容量可以達(dá)到或接近N C M811的水平。以前市場(chǎng)上普遍使用的二次顆粒結(jié)構(gòu)的三元材料不適合于高電壓體系使用，單晶型三元正極材料在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，尤其是在高溫循環(huán)、存儲(chǔ)、脹氣和阻抗增加方面優(yōu)勢(shì)十分明顯。單晶型高電壓5系、6系三元材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到動(dòng)力鋰電池上，單晶型高電壓 7系三元材料也到即將大規(guī)模批量應(yīng)用。

同時(shí)在中鎳的高電壓?jiǎn)尉w系中，不斷出現(xiàn)偏比例的低鈷材料的身影，比如目前國(guó)內(nèi)一些鋰電巨頭采用的Ni55Co15錳（Mn）30；Ni56Co12Mn3 2；Ni60Co10Mn30；Ni65Co07Mn28，等等，從量產(chǎn)品來看，中鎳產(chǎn)品中鈷的比例也在不斷下降，未來趨勢(shì)和高鎳三元材料一樣，鈷逐漸成為鋰電正極多元材料的添加劑。如果鈷價(jià)能夠穩(wěn)定在15美元/磅以下，中鎳高電壓三元材料綜合性能較好，其產(chǎn)品仍會(huì)有一定的生命周期。

3.3 鈷產(chǎn)業(yè)循環(huán)回收可提升鈷供應(yīng)量，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展

全球鎳鈷資源有限，未來電動(dòng)汽車普及對(duì)鎳鈷資源的需求不斷擴(kuò)大，為了三元材料電動(dòng)汽車的可持續(xù)發(fā)展，三元電池的低成本清潔回收至關(guān)重要。對(duì)已經(jīng)報(bào)廢的動(dòng)力電池進(jìn)行破碎、拆解和冶煉等，實(shí)現(xiàn)鎳、鈷、錳、鋰等資源的回收利用，通過資源化回收，鎳、鈷、錳等金屬元素可實(shí)現(xiàn)95%以上的再利用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。產(chǎn)出的鎳、鈷、錳及鋰鹽，可用于生產(chǎn)三元前驅(qū)體和正極材料，進(jìn)一步用于鋰電池電芯的制造。退役三元電池的正極材料中的有價(jià)金屬可再次用于三元正極材料的制造，部分滿足未來對(duì)于動(dòng)力電池制造的需求，減少對(duì)于國(guó)外原材料進(jìn)口的依賴，幫助企業(yè)控制原材料成本上漲帶來的不利影響。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的管理更加細(xì)化，三元電池和磷鐵電池其退役殘值也會(huì)有較明顯不同，如果回收規(guī)模能夠做大，在一定程度上也能降低整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成本。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.013