中国钼的动态物料流动分析：低碳转型背景下的贸易重组与需求激增

《Journal of Cleaner Production》：Dynamic material flow analysis of molybdenum in China: Trade restructuring and demand surging under the low-carbon transition

中国钼资源循环动态分析及未来需求预测，采用动态物质流分析（MFA）追踪2001-2024年钼产业链演变，揭示国内开采量5倍增长、消费量22倍扩张及贸易结构逆转（出口高附加值产品转向进口原料），累计库存达666kt并形成城市采矿潜力。预测双碳情景下2060年EV与风电用钼需求达610kt，提出供应链多元化、战略储备和先进分离技术等保障措施。

　　

张浩|李玉平|李宗阳|王旭涵|黄茹霞|彭江刚|罗伟民|董凯军

中国科学技术大学，合肥，230026，中国

摘要

钼（Mo）对于全球能源转型至关重要，尤其是在风能和电动汽车（EV）领域。确保中国这一全球最大消费国的钼供应可持续性是当务之急。本研究采用动态物质流分析方法，追踪了2001年至2024年中国的人为钼循环，并通过多情景预测方法预测了未来需求。研究结果表明，钼产业规模显著扩大：2001年至2024年间，国内钼矿产量和消费量分别增长了5倍和22倍。尤为重要的是，贸易结构发生了逆转：中国从原材料净出口国转变为净进口国，同时在高附加值产品出口方面占据了主导地位。到2024年，累计在用钼库存达到666千吨，同时每年产生大量的报废钼资源，表明未来存在重要的二次资源回收潜力。不同情景下的预测结果存在显著差异。在“双碳”情景下，自2001年以来，电动汽车和风能领域对钼的累计需求预计到2030年将达到147千吨，到2060年将激增至610千吨。电动汽车和风能的快速增长对现有供应系统构成了巨大压力。为保障资源安全，本研究建议多样化进口渠道、建立战略储备并推广先进的分离技术以实现资源循环利用。

引言

作为中国及其他主要经济体关键矿产框架中指定的战略金属，钼被广泛应用于钢铁、化工和能源等关键工业领域的高性能材料中（Outteridge等人，2020年；Santra等人，2024年）。其最大的消费领域是钢铁工业，在高级合金钢中作为核心添加剂（Xing等人，2023年）。在化工行业中，基于钼的催化剂被广泛用于石油精炼和化学合成过程（Morant-Giner等人，2024年）。随着全球能源向低碳替代品转型，可再生能源领域对钼的需求正在迅速增长（Chodankar等人，2020年）。例如，在光伏领域，钼是薄膜太阳能电池背电极的重要材料（Khan等人，2024年）。在电动汽车（EV）行业，含钼的高强度合金钢有助于减轻车身重量并提高安全性（Raghavan等人，2023年；Zaitsev等人，2016年）。最新研究表明，掺钼的镍基层状正极可以提高锂离子电池的结构稳定性和寿命（Ryu等人，2023年）。此外，钼合金还用于制造风力发电设备的承重部件，如齿轮箱和主轴（Moss等人，2013年；Wang等人，2022年）。受2050年实现净零排放的全球愿景和中国“双碳”战略目标的推动，对钼的需求预计将呈现结构性增长。因此，确保其供应安全已成为一项重要的战略任务。

尽管钼在全球工业发展中扮演着重要角色，但其资源供应在地理上高度集中。根据美国地质调查局（USGS，2024年）的数据，全球钼储量约为1500万吨。中国拥有最大的份额，占全球总量的39%。美国、秘鲁和智利的储量分别为350万吨、150万吨和140万吨（USGS，2025年）。2023年全球钼产量为260千吨，前五大生产国为中国、智利、秘鲁、美国和墨西哥，占全球总产量的93%。值得注意的是，中国贡献了全球产量的42%，凸显了其在全球钼供应链中的主导地位（中国有色金属工业协会，2024年）。这种主导地位既带来了机遇，也带来了挑战。除了稳定全球钼供应外，中国还需在国内实现资源的高效利用和可持续供应。在此背景下，评估中国经济社会体系中钼资源的物质代谢路径和循环潜力至关重要。此外，预测其在可再生能源等新兴领域的未来需求对于钼资源安全同样重要。

目前关于中国钼资源的研究主要集中在上游矿产供应链，强调地质禀赋和生产统计数据。然而，系统性地分析物质流动和生命周期各阶段的中长期库存特征的研究仍显不足。特别是，阐明钼资源的社会经济代谢路径及其动态演变趋势的研究仍是一个重要空白。为了填补这一空白，物质流分析（MFA）作为一种系统分析工具，可用于量化资源代谢（Chen等人，2020年）。通过该方法可以识别从采矿和研磨到精炼、制造、产品使用、报废处理和回收的整个链条中的关键阶段和潜在风险。在全球范围内，已有研究考察了锂、钴和稀土元素等关键金属的供应安全、回收潜力和产业政策优化（Li等人，2023年；Shi等人，2019年）。在中国，已付出大量努力来追踪战略矿产的代谢轨迹，以支持产业政策设计。例如，有详细的研究利用MFA分析了中国电动汽车行业中的锂和钴损失机制，为建立循环系统提供了坚实基础（Qiao等人，2022年）。同样，在稀土研究领域，MFA量化了生命周期各阶段的库存和流动，为确定战略稀土金属储备的最佳规模提供了可靠依据（Guyonnet等人，2015年；Zhao等人，2024年）。

相比之下，关于钼的MFA研究相对有限。现有研究大多局限于国家或地区层面的静态核算，缺乏涵盖完整生命周期的动态分析。在少数相关研究中，Igarashi为日本不锈钢行业构建了一个动态物质流模型（Igarashi等人，2007年）。Nakajima等人建立了2004年钢铁行业中钼的静态流动模型，阐明了钼在钢铁生产和最终消费之间的分配特征（Nakajima等人，2007年）。Nuss等人利用物理投入产出表（PIOTs）分析了2007年美国包括钼在内的11种合金金属在各经济部门中的交换和消费情况（Nuss等人，2019年）。这种方法旨在通过绘制金属流动网络来揭示金属供应链风险，从而提供关于传统工业领域钼代谢特征的宝贵见解。然而，使用PIOTs进行MFA存在局限性，如数据更新滞后、在不同行业部门分配金属消费时的主观性和假设依赖性。这些限制使得PIOTs难以适用于高分辨率的MFA。此外，该评估仅揭示了2007年的横截面金属流动情况，未考虑技术进步、市场波动和产业政策等因素对钼流动的影响。近年来，随着清洁能源转型的加速，新能源领域对钼的需求不断增长，但相关物质流特征的研究仍处于早期阶段。例如，Lee等人（2024年）预测了2022年至2050年美国能源转型情景下15种关键材料（包括银、镓和硒）的需求，但他们的分析方法未纳入风能发电系统所需的钼需求。此外，他们的研究主要关注能源政策驱动的金属需求，未深入分析风能设备和电动汽车材料中金属资源的特定流动路径。因此，新能源领域对钼资源物质代谢模式的影响仍不明确。

在中国这个全球最大的钼生产和消费国背景下，Yuan等人（2024年）使用动态MFA方法分析了2000年至2020年的国内生产、消费、国际贸易和库存特征。这些研究提供了2000年至2020年中国钼供需平衡的实证见解。然而，受研究时间和范围的限制，未量化2020年后中国“双碳”战略实施带来的钼物质流变化。特别是，新兴领域（如电动汽车和风力涡轮机）的增量需求未得到充分关注。这是一个关键疏漏，因为钼是风力涡轮机齿轮箱的关键合金元素，可显著提高其疲劳强度和耐腐蚀性（Moss等人，2013年）。此外，由于钼通常存在于合金钢和中间化合物中，其在国际贸易中通常被归类为钢铁或化学品，这使得基于现行协调制度（HS）代码难以准确区分和识别这些中间产品中的钼资源流动。因此，含钼中间产品或最终产品的跨国流动规模及其在供应链中的隐含转移量常常被低估，从而影响了钼资源依赖性和回收潜力的准确评估。

总之，现有的钼MFA研究仍存在不足。它们主要缺乏动态分析、对新兴清洁能源领域消费的充分覆盖以及对贸易流动的高分辨率识别。为弥补这些不足，本研究对中国钼资源进行了全面的动态物质流分析。评估涵盖了从采矿和研磨到冶炼和精炼、制造、使用和废物管理的整个生命周期。与通过汇总经济部门数据和固定部门系数进行流动和库存分配的PIOTs方法不同，本研究采用高分辨率贸易核算方法，使用详细的8位HS代码在商品层面追踪钼流动。这种方法能够明确识别嵌入在中间产品和最终产品中的钼，特别是能源和机械设备中的钼，从而减少国际贸易中隐藏流动的低估。因此，重建的贸易网络能更准确地反映钼在整个产业链中的跨境循环。此外，本研究阐明了新兴领域（如电动汽车和风能）的流动机制，并在不同情景下预测了未来需求，旨在为中国钼资源管理提供科学依据。

研究内容片段

系统边界和研究范围

本研究采用动态物质流分析（MFA）方法，量化了人为系统中钼在整个生命周期内的代谢轨迹和流动路径（图1）。空间边界定义为中国大陆（不包括台湾、香港和澳门），时间范围为2001年至2024年。

系统边界包括国内生产、消费、回收和国际贸易，以确保不同方面的连贯性

钼循环概述

图2展示了2001年（a）和2024年（b）中国的人为钼循环，2013年的情况在补充信息中提供（图S1）。总体而言，过去二十年中国钼产业的代谢规模显著扩大。

生产规模和初级供应大幅增长。国内年矿产量从2001年的45千吨激增至2024年的211千吨，增长了近5倍。

结论

作为可持续能源技术不可或缺的组成部分，钼已被视为国际社会越来越重要的资源，尤其是对中国而言，中国是全球最大的钼生产和消费国。本研究采用动态物质流分析框架，追踪了2001年至2024年中国钼循环的演变情况，并在三种情景下预测了电动汽车和风能领域的未来累计需求。

CRediT作者贡献声明

张浩：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论设计、数据整理、概念构建。李玉平：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集。李宗阳：方法论设计、数据收集。王旭涵：资源协调、方法论设计。黄茹霞：资源协调、方法论设计。彭江刚：监督工作、资源协调。罗伟民：监督工作、资源协调。董凯军：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3904500）和中国科学院战略重点研究计划（项目编号：XDA/29010500）的支持。