清华大学郝瀚团队EST：全球锂电池产业链竞争强度分析-一种关键性评估的新视角

【成果简介】

近日，清华大学郝瀚教授团队在Environmental Science & Technology上发表了题为“Global competition in the lithium-ion battery supply chain: A novel perspective for criticality analysis”的研究论文(DOI: 10.1021/acs.est.1c03376)，该研究量化评估了15类锂电池产业链相关商品的全球竞争强度，而这一风险在以前的关键性研究中没有得到很好的描述。基于作者一系列物质流研究中收集的数据和特殊设计的模型，开发了“竞争指数”这一指标来评估竞争风险。本研究结果表明，氢氧化锂、锂离子电池和碳酸锂是2019年全球锂电池供应链竞争的焦点，未来氢氧化锂将面临更多竞争。其中，韩国、日本、美国等国对锂电池相关商品的竞争最为激烈。这种对基于贸易的全球冲突潜力的洞察，为潜在竞争对手和相应的区域产业结构转型战略提供了参考。我们开发的指标是对已有关键性分析框架的补充，可扩展到评估与其他重点产业相关商品的关键性的应用中。第一作者为在读博士孙鑫，通讯作者为郝瀚副教授。

【引言】

已有关键性评估的研究对来自外部来源的商品供给中的潜在风险进行了很好的调查。尽管如此，这些现有的评估只考虑了来自外国供应商的风险，而没有考虑其他依赖进口供应的买家国家的风险。之前的关键性分析研究侧重于探索如何在供应中断发生之前避免它们。此时的风险主要来自供给侧。然而，即使发生了供应中断事件，一般来说仍有一些供应来源可用并且可能足以满足一部分消费者的需求。此时，大部分风险不是来自供给侧，而是来自需求侧，即来自同类消费者的竞争风险。当供应紧张时，来自同一来源的相同商品的其他进口商对该国是一种潜在威胁。当供不应求时，每个国家可能会采取措施（例如制定国际贸易政策）优先考虑国内需求，这意味着一些国家无法获得所需的全部供应。这一风险目前还没有被描述清楚。为了填补这一空白，在本研究中，作者开发了一种方法来量化特定商品的全球竞争强度，并进一步绘制竞争对全球锂离子电池供应链的影响。作者集成了2019年238个国家和地区15种锂电池相关商品的国内生产数据、进口数据和市场结构数据，包括锂矿、钴矿、镍矿、锰矿、天然石墨、碳酸锂、氢氧化锂、精炼钴、镍化工、电解二氧化锰、三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂和锂离子电池。基于这些信息，作者提出了一个量化不同商品国家之间竞争强度的指标，称为“竞争指数”。在这里，作者表明氢氧化锂、锂电池和碳酸锂是各国竞争的主要商品。在锂电池产业链中，韩国和日本之间的竞争最为激烈。

【主要结果】

1. 国家层面的锂电池产业链竞争格局分布

图1 锂电池产业链全球竞争地图. 饼状图显示了对应国家之间竞争指数的值和每种商品的贡献。饼状图的面积与竞争指数成正比。LM: 锂矿; CO: 钴矿; NO: 镍矿; MO: 锰矿; NG: 天然石墨; LC: 碳酸锂; LH: 氢氧化锂; RC: 精炼钴; NC: 精炼镍; EMD: 电解二氧化锰; NCM & NCA: 三元锂; LFP: 磷酸铁锂; LMO: 锰酸锂; LCO: 钴酸锂; LIB: 锂电池.

图1显示了全球锂电池产业链相关商品竞争的热点分布。日本和韩国的竞争最为激烈，竞争指数为215，远远高于其他国家。日本和韩国主要竞争的商品为氢氧化锂和碳酸锂，竞争指数分别为154和61。两国都严重依赖国外锂基化学材料供应，以支持各自国内的锂电池正极材料制造业。氢氧化锂和碳酸锂也是日本和法国、韩国和美国、韩国和法国、比利时和韩国的竞争焦点，竞争指数分别为49、41、36、28。这里我们注意到，并非所有这些国家都在竞争这些商品出于国内对锂电池正极材料的需求。例如，欧洲国家进口的碳酸锂和氢氧化锂大多用于与电池无关的活动。因此，对于这些国家来说，结果中显示的与锂电池有关的商品的竞争强度应该考虑到他们自己的行业特点来理解。

2. 商品层面的锂电池产业链竞争格局分布

图2 锂电池供应链所涵盖商品的竞争强度。每个区块的长度与对应商品的竞争指数的对数成正比。箭头的方向是从上游商品到下游商品。箭头的颜色对应原点的商品类别。三种类型的符号代表了商品供给在三个层次上的HHI值。HHI: Herfindahl-Hirschman指数。

本节提供各种商品市场的竞争强度，并根据市场中已知的供求信息，预测短期和中期(2025年前)的竞争强度。图2显示了15种与锂电池相关的商品的全球竞争强度。在整个锂电池供应链中，氢氧化锂、锂电池和碳酸锂的竞争指数最高，分别为438、378和352。碳酸锂和氢氧化锂的高竞争强度源于生产的高度集中和供求结构的错位。作为最基本的两种锂化工产品，对它们的需求相比于产能分布是远远分散的。这也是2017 - 2018年LC和LH价格剧烈波动的主要潜在原因之一(峰值价格是2014年的4倍)。氢氧化锂目前的竞争强度是碳酸锂的1.25倍，未来可能会更高。目前，它们是电池正极材料生产的两种重要投入原料，其贡献没有明显区别。而在未来，氢氧化锂在正极材料生产中的影响力将会越来越大。NCM 811和NCA是目前最受关注的能量密度最高的正极材料，由于这些高镍材料的烧结温度不能高于800℃，所以只能使用氢氧化锂作为原料输入。当使用碳酸锂作为输入原料时，低烧结温度会导致其不完全分解，导致碱性强，对湿度的敏感性增加，对电池性能产生负面影响。从2018年到2020年，碳酸锂和氢氧化锂的价差上升到1万美元每吨碳酸锂当量，之后下降到大约1400美元每吨碳酸锂当量。由于高镍正极材料的市场仍处于起步阶段，两种材料的价差短期内仍将维持在这个区间内。这意味着碳酸锂苛化生产氢氧化锂在技术上是可行的，但在经济上是不可行的。因此，正极材料制造商无法进口碳酸锂来满足自己的氢氧化锂需求。在所有有基础锂盐需求的国家中，只有中国和美国在国内生产氢氧化锂。此外，氢氧化锂的供应集中度高于碳酸锂, 二者在2019年Herfindahl-Hirschman指数(HHI)分别为5884和4173。在这样的背景下，氢氧化锂的竞争在短期内可能会保持高水平。由于陶瓷、LFP、LCO等传统工业对碳酸锂的需求减弱，预计未来其竞争强度将有所缓解。

锂电池高竞争强度的驱动因素与氢氧化锂和碳酸锂相似。在供应方面，2019年全球锂电池生产的HHI值达到5078。如此高的生产集中度可以归因于少数几个国家在锂离子电池制造业中的主导地位：2019年，全球锂离子电池生产的91%分布在中国(70%)、美国(8%)、韩国(7%)和日本(7%)。在需求方面，汽车电气化已成为全球运输部门的一个主要趋势。这表明，在中国、美国和欧洲等经济发达的国家，对锂电池的需求普遍存在。供需分配的巨大错位使得优质锂电池源的竞争不可避免。

3. 对政策制定者的启示

图3面临最大竞争风险的国家及相应的竞争来源。每条线的左边显示了这个国家的前三名竞争者。竞争强度由左向右递减。子图显示了相应的竞争结构。颜色对应不同的商品。色块的面积与竞争指数成正比。

作者所建立的定量模型可以输出各国在锂电池产业链中所面临的竞争风险的相对关键性水平。此外，还可以确定竞争风险的来源，包括主要竞争对手和相应的竞争商品。从而有可能确定是否应采取适当的缓解措施。从本研究的结果来看，日本、韩国、中国和比利时面临的竞争风险最大，如图3所示。他们是彼此竞争风险的主要来源。

对于高度依赖具有高竞争指数的商品的外部供应的国家，可以考虑通过进口上游材料而不是直接进口这种高度竞争的商品来扩大其业务到国内生产。到目前为止，已有几个国家作出了这种努力。一些国家已作出安排，提高原材料供应的弹性。氢氧化锂在日本和韩国的产能已经得到了一定程度的投资。美国通过支持国内正极材料公司的技术研发和产能扩张，致力于在锂离子电池供应链中游占据领先地位。此外，它还提出了一系列政策，以确保关键矿物的安全可靠供应。这些措施涵盖了从矿产勘查到开发利用的各个主要方面，包括加强地质填图、实施规划程序、确保矿产勘查优先准入、缩短审批时间、支持相关劳动力和物流体系等。

在锂电池制造方面，许多国家都采取了行动来布局国内的生产能力。德国政府于2018年宣布，将向国内企业提供10亿欧元用于锂电池产品的技术开发和生产。中国一些政府部门联合发布了政策，以刺激国内高端锂电池的生产。2021年，韩国立法向国内电动汽车制造和电动汽车产业投资350亿美元。同样，美国政府还推出了“锂电池国家蓝图”，为未来十年国内锂电池产业的发展提供大量的财政支持。除了这些主要的消费者外，锂储量丰富的玻利维亚一直在建立自己的“锂帝国”。它希望建立中游材料的能力，并进一步生产锂电池，扭转只出口矿物而进口最终用途产品的长期趋势。2016年，他们成功进行了碳酸锂的试生产。他们拥有丰富的锂储备，不仅可以满足自己的电池需求，还可以成为国际供应商。澳大利亚也在考虑基于上游资源禀赋发展中游加工业的做法。上述国家的决定和行动对其他经济体有着一定的指导意义。

4. 动态规划的必要性

图4 2019年现实与情景下的区域竞争指数每个国家都有两个条形图，分别代表2019年现实情况下的总体竞争指数(上条形图)和人工情景下的总体竞争指数(下条形图)。为了简化图表，这里只显示了竞争指数最大的10个国家。

锂电池产业链涉及国家范围极为广泛。当一个国家在某些加工阶段调整其生产能力时，会引起整个全球供应网络的波动。这意味着，即使一个国家降低了某些商品的竞争风险，也可能会增加其他种类商品的竞争风险，从而反而增加了整个产业链所面临的整体竞争风险，导致意想不到的后果。因此，无论是政府还是企业要进行合理的产能规划，都需要绘制供应链图，量化产能投资的影响。

为了演示这一点，作者设置了一个生产率变化的人工场景。此次产能调整始于特斯拉位于内华达州的电池工厂Gigafactory 1，该工厂目前是世界上最大的锂电池制造工厂。根据特斯拉的公开信息，该厂电池完全释放的产能为70GWh（30%的产能已在2018年释放，预计2020年完全释放）。根据2019年特斯拉锂电的供应链，将这些电池产能及其相应的上游原材料产能(7千吨锂、9千吨钴和48千吨镍)添加到相关国家。然后，基于本文提出的竞争指标，量化了生产能力变化前后的区域竞争风险。结果如图4所示。

在我们的场景中，美国新增的产能将改变68个国家的锂电池相关商品的产能。全球整体竞争强度略有下降，竞争指数从3290下降到3221。地区间竞争强度的差异要明显得多。中国、日本和美国的区域竞争指数(反映一个国家与其他所有国家之间的总竞争强度)分别增长了16%、11%和12%。其他国家的区域竞争指数均有不同程度的下降。其中，加拿大、法国和比利时的竞争指数分别下降了19%、14%和11%。特斯拉建设超级工厂的初衷是为了加强美国制造业，确保供应稳定。它确实将美国锂电池的竞争风险从29降低到11。而另一方面，由于NCM和NCA在美国国内没有生产能力，这些原材料在美国的竞争风险从30上升到57，最终导致美国面临的整体竞争风险恶化。

5. 未来研究展望

本研究的主要贡献是发展了量化竞争风险的范式，这在现有的临界分析中还没有得到很好的研究。为论证该模型的运行机制和作用，作者对整个全球锂电池供应链覆盖的各种核心商品的全球竞争潜力进行了定量分析。对于任何一个正在参与或有意参与锂电池产业链建设的国家来说，研究结果让相关政策制定者充分认识到当前所面临的竞争潜力的重要性。他们可以得到一份应该寻找的潜在竞争对手的名单，以及由于竞争对手的干扰而可能中断供应的商品。

近年来，由于气候变化和COVID-19大流行病等公共危机，供应中断在许多市场都很常见。为了保持国民经济的稳定运行，识别各种关键商品的竞争风险至关重要。为了达到这一目的，本研究开发的方法是完全数据驱动的，以提高其扩展应用的潜力。未来研究的一个有希望的方向是改进该模型将其用于评估其他供应不足或分配不均的关键商品(如芯片和疫苗)的竞争状况。

区域物流水平、劳动力和能源成本、环境标准、制造技术水平等因素差别很大。在降低竞争风险的同时，生产能力的迁移可能会导致制造成本的增加和产品性能的下降。因此，需要进一步努力评估能力移徙对若干具体商品的经济和环境影响。

锂电池行业仍处于“蓝海期”，自2016年以来，其出货量以40%的复合年增长率增长。来自价格变化、国家政策、产能和需求结构的市场动态可能对全球竞争强度产生重大影响。根据目前掌握的信息，作者只能提供2019年的量化结果。考虑锂电池和相关矿物产能释放周期(2-5年和5-10年)，研究结果具有短期指导意义。另一方面，重要的是用更新数据迭代更新这些评估结果，以捕捉全球自由市场相关商品的最新趋势。

考虑到定量处理的可操作性和相关数据的可获得性，现阶段所建立的模型并没有考虑到影响竞争的所有因素。例如，在微观层面，由于国家产业水平的不同，各国对国外供给的依赖程度和控制能力就会不平等。此外，竞争强度并不完全由供需状况决定。其他自然或人为因素如恶意炒作等也会对市场产生影响。需要在更深层次上进一步努力，深入了解全球竞争状况。

作者介绍：

第一作者：孙鑫 博士生，现就读于清华大学车辆与运载学院。研究方向为交通电动化驱动下的关键金属资源产业链供应风险评估。目前在领域内顶级期刊发表 15篇SCI 论文。研究成果已累计获得 Nature、欧盟委员会、澳大利亚工业部等重要期刊和机构的引用达 258 次（Google Scholar统计）， ResearchGate阅读量10000余次。曾获得钱易环境奖特等奖学金、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20余奖项。入选 2020 年中国科协优秀中外青年交流计划。

通讯作者：郝瀚 副教授、博士生导师，就职于清华大学车辆与运载学院。主要开展低碳交通、可持续储能等方面的研究。获得国家自然科学基金青年、面上、优青、重大项目子课题等资助，获省部级科研奖励3项、教学奖励1 项，担任6 部学术专著共同执笔人，入选爱思维尔2020中国高被引学者。

Sun, X.; Liu, Z.; Zhao, F.; Hao, H., Global Competition in the Lithium-Ion Battery Supply Chain: A Novel Perspective for Criticality Analysis. Environ Sci Technol 2021. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c03376