《Resources, Environment and Sustainability》：Material flow analysis of present and projected production chains of US nickel and cobalt for lithium-ion batteries
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为解决美国在电动汽车电池关键原料镍、钴方面缺乏安全本土供应链的问题，研究人员采用物质流分析(MFA)量化了美国地下资源、拟建项目、贸易流和电池制造需求。研究发现，尽管美国地下资源可观，但包含回收估算在内的拟议年产量远低于当前及2030年预测的电池制造需求。最关键的限制是本土精炼产能的缺失。精炼投资、扩大回收、副产品回收和贸易战略是构建韧性电池供应链的潜在解决方案。
想象一下，你驾驶着一辆炫酷的电动汽车(EV)在城市中穿行，享受着零排放的绿色出行。这背后，锂离子电池(LIB)是核心动力来源，而电池中的两种关键金属——镍和钴，则是决定其性能和成本的关键。然而，一个严峻的现实是，美国作为电动汽车生产和消费大国，其用于制造这些电池的镍和钴，却严重依赖不稳定的海外供应链。目前，全球近六成的镍产自印度尼西亚，超过七成的钴来自刚果(金)，而中国则主导了这两种金属的精炼环节。美国本土仅有一座在产的镍矿（鹰矿），且没有任何商业化的镍或钴精炼厂。随着美国电池制造产能从2021年的57吉瓦时(GWh)猛增至2024年的220 GWh，并预计在2030年达到惊人的1200 GWh，上游原材料供应与下游制造需求之间的脱节日益凸显，构成了美国能源转型和产业安全的核心风险。
为了清晰、定量地揭示这一供应链的现状、瓶颈与未来潜力，由Grayce Gibbs、Jihye Kim、Elizabeth Holley和Nicole Smith组成的研究团队，在《Resources, Environment and Sustainability》期刊上发表了题为“Material flow analysis of present and projected production chains of US nickel and cobalt for lithium-ion batteries”的研究论文。他们首次将物质流分析(MFA)系统应用于美国镍、钴的生产链，量化评估了从矿产资源、开采、加工、精炼到电池制造、使用及报废回收的全过程物质流动。
为了回答上述问题，研究人员主要采用了以下关键技术方法：1. 物质流分析(MFA)框架：基于物质守恒定律，建立了三个核心MFA模型。MFA 1和MFA 2分别分析了镍和钴在当前（以2021-2024年平均值为基准）美国EV电池价值链中的流动与存量。MFA 3则聚焦于采矿-精炼阶段，绘制了所有已公布和拟建美国项目的潜在生产路径图，评估了未来理论上的最大产能。2. 系统边界与数据整合：研究将系统边界限定于EV用LIB所需的镍和钴，时间边界为一年。数据来源广泛，包括符合加拿大NI 43-101标准的矿业技术报告、公司披露文件、政府统计数据（如美国地质调查局USGS、美国贸易在线USA Trade Online）以及学术文献，并进行了不确定性分析。3. 供需对比分析：将MFA 3得出的潜在本土供应能力，与基于当前（2024年）和预测（2030年）电池制造产能计算出的镍、钴需求进行对比，量化了供应缺口。
研究结果通过多个图表和数据分析，揭示了美国镍钴供应链的详细图景与核心矛盾：
3.1. 当前状态 (MFAs 1 and 2)
该部分通过桑基图直观展示了镍和钴在当前美国EV电池价值链中的流动。结果显示，美国地下资源总量可观，镍达15,348千吨(kt)，钴达1,378 kt。但目前仅有鹰矿在生产，年产量为18 kt镍和2 kt钴。由于缺乏本土精炼能力，其生产的精矿全部出口。为满足2024年220 GWh的电池制造产能，美国需要进口111 kt镍和38 kt钴的电池前驱体材料。同时，有大量镍（99 kt）和钴（36 kt）以成品LIB或整车形式进口。在使用阶段，道路上EV电池中已积累了342 kt镍和125 kt钴的存量。在报废阶段，仅有约54%的EV电池被回收，其中仅10%在本土进行。
3.2. 未来生产评估 (MFA 3)
研究人员绘制了所有已公布美国矿业和精炼项目的潜在生产路径图。在理想的高限情景下，如果所有拟建项目都按计划投产，美国年采矿产能可达96 kt镍和12 kt钴。经过选矿回收，可得到64 kt镍和7 kt钴的精矿用于精炼。然而，图谱清晰显示，多个矿山（如Maturi, Iron Creek, Tamarack）尚未公布明确的精炼计划。部分拟建的精炼厂（如Westwin, EVelution）计划使用进口原料，而非完全依赖本土矿山。这表明未来的供应链可能仍是国内外混合模式。
3.3. 电池用镍和钴的需求与生产
供需对比分析揭示了尖锐的矛盾。基于2024年电池产能的制造需求（111 kt Ni, 38 kt Co）已远超美国地质调查局(USGS)基于表观消费量（仅统计原材料形式）估算的电池领域消费量（8.4 kt Ni, 2.6 kt Co），表明大量金属以中间品或成品形式进口未被传统统计涵盖。展望2030年，即使考虑到锂铁磷酸盐(LFP)电池（不含镍钴）占比提升，在975 GWh的预测产能下，镍和钴的需求仍将高达391 kt和134 kt。而即使在最乐观的情况下，美国本土所有拟建项目的年产量（含回收）也仅为105 kt镍和15 kt钴，远不能满足需求。
在分析与讨论部分，研究者归纳出三个核心研究发现。首先，贸易失衡与有限的美国资源使得建立完全本土化的生产链不切实际。尽管资源总量理论上可满足长期需求，但拟议的年产能无法匹配当前及未来的制造需求，供应链将长期依赖进口。其次，精炼缺口是关键瓶颈。美国目前没有任何运营的镍或钴精炼厂，迫使所有本土开采的精矿必须出口进行精炼，导致电池制造阶段完全依赖进口前驱体材料。虽然有几家精炼厂正在规划中，但要填补这一历史形成的缺口并应对中国等国的成本竞争，面临环境、社会和经济多重挑战。最后，未来存在高度不确定性。电池化学体系的演进（如高镍低钴化、LFP电池增长）、政策变化（如《通货膨胀削减法案》(IRA)税收抵免的调整）以及消费者偏好的改变，都会显著影响未来的镍钴需求，增加了投资和供应链规划的风险。
该研究的结论强调，美国拥有庞大的镍钴地下资源，但拟议的年产量（含回收）远低于当前和预期的电池制造需求。研究定量识别了三大关键约束：贸易失衡、精炼缺口和未来不确定性。这表明，仅仅依靠开发国内矿产资源无法实现供应链的自给自足。要实现长期韧性，需要采取多管齐下的策略，包括：加大对精炼环节的投资以弥补关键短板；大力扩大电池回收规模，将城市矿山转化为稳定资源；从现有采矿作业中加强副产品和尾矿中有价金属的回收；以及制定灵活的国际贸易与合作战略。这项研究通过系统性的物质流分析，为政策制定者和产业界提供了清晰的量化依据，指明了在复杂全球格局下构建安全、有韧性电池供应链的努力方向与优先事项。
