美国电池材料成本优化策略：一次原料供应配置与本土回收的经济性分析

《Nature Communications》：Primary material supply configurations and domestic recycling for cost-effective battery material production in the US

为解决全球电池关键金属供应集中、价格波动大以及美国本土电池材料生产成本高的问题，研究人员开展了针对NMC（锂镍锰钴氧化物）正极活性材料（CAM）的一次原料供应配置与本土回收路径的成本效益研究。通过构建涵盖80余个全球矿场、精炼厂和转化设施的设施级成本模型，研究发现全美本土供应成本比全球平均水平高9-34%，且随钴含量增加而上升；但通过选择性进口低成本金属或利用本土回收（特别是湿法冶金升级回收）可在特定条件下实现成本竞争力。该研究为美国构建安全、经济、可持续的电池材料供应链提供了数据驱动的决策依据。

　　

随着全球对锂离子电池（LIB）需求的爆炸式增长——预计从2022年的700吉瓦时（GWh）猛增至2030年的4.7太瓦时（TWh），电动汽车（EV）、储能系统和便携式电子产品的普及对电池供应链的韧性和成本提出了严峻挑战。在锂离子电池的成本构成中，正极活性材料（CAM），尤其是层状氧化物如NMC（LiNi_xMn_yCo_zO₂），占据了电池包材料成本（Bill of Materials）的30-50%，其生产成本更是高达电池总制造成本的45%。而NMC材料自身的成本，又有超过70%来自于锂、钴、镍这三种关键金属。这意味着，这些金属的价格波动几乎直接决定了电池的成本轨迹，尤其是在制造业规模效应带来的学习率趋于平缓之后，上游原材料的价格风险变得尤为突出。

然而，这些关键金属及其前驱体（如金属硫酸盐）的供应却高度集中于少数几个国家和地区。例如，印度尼西亚供应了全球59%的原生镍，刚果（金）供应了全球76%的原生钴。锂资源方面，智利和阿根廷的盐湖卤水贡献了全球28%的锂，澳大利亚的锂辉石矿床则生产了全球37%的锂，但其中大部分被运往中国精炼成电池级锂盐。中国在下游加工环节的主导地位更为显著，精炼了全球约75%的钴和镍中间品以及超过60%的锂化学品。这种地理上的高度集中，为其他希望保障自身电池供应链安全的地区（如美国、欧洲）带来了战略和经济上的双重脆弱性。

为此，美国出台了《通胀削减法案》（IRA），欧洲更新了《电池法规》并推出《关键原材料法案》，印度和加拿大等国也实施了类似政策，旨在将电池供应链从采矿到回收的各个环节部分或全部“回岸”或“友岸”。然而，一个核心问题尚未被清晰解答：完全依赖本土金属原料生产NMC正极材料，其成本究竟如何？能否与全球供应链竞争？与此同时，回收利用报废电动汽车电池中的有价金属，作为一种潜在的本地化、循环化原料来源，其经济性又如何？在金属价格剧烈波动的市场环境下，回收料能否与一次原料（原生矿）成本抗衡？现有的成本研究多依赖于宏观的商品指数或模糊的专有成本曲线，缺乏对具体生产设施层面经济性的透明洞察。

为了填补这一空白，来自劳伦斯伯克利国家实验室的Jannis Wesselkaemper、Andrew Z. Haddad等研究人员在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了他们的最新研究。他们摒弃了传统的自上而下方法，构建了一个独特的自下而上设施级成本模型。该模型整合了全球80多个正在运营或计划中的锂、钴、镍矿山、精炼厂和转化设施的公开数据，首次实现了从矿山到工厂大门的全流程级化生产成本（Levelized Production Cost）计算，并能够灵活地组合不同区域的供应配置，以评估各种供应链情景下的NMC材料成本。此外，研究还结合一手工厂数据和技术经济模型，深入分析了美国本土两种湿法冶金回收工艺（直接回收为金属盐和升级回收为正极材料前驱体pCAM）的成本，并将其与一次原料供应成本进行了全面对标。通过情景分析，研究者进一步揭示了通过降低黑粉（Black Mass）价格和发挥规模效应，回收材料在未来实现成本竞争力的路径。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 1.
   设施级级化生产成本建模：基于超过79个全球采矿和精炼设施的一手公司报告数据，计算了锂（以碳酸锂当量LCE计）、钴（以硫酸钴计）、镍（以硫酸镍计）和锰（以硫酸锰计）的级化生产成本，方法为将设施总成本（包括资本支出CapEx、运营支出OpEx、维持性资本支出SusEx和闭矿成本）除以其生命周期内的总供应能力。
2. 2.
   区域供应情景组合分析：定义了7个锂、7个钴、8个镍的供应区域，通过组合生成392种区域供应链配置，用于计算不同NMC化学体系（NMC 95, 811, 622, 532, 111）的正极活性材料（CAM） aggregated material costs（单位：百万美元/吉瓦时CAM）。
3. 3.
   回收工艺技术经济分析：利用一手公司数据和技术经济模型（参考Argonne National Laboratory的EverBatt模型及文献），评估了两种美国本土湿法冶金回收路线（湿法冶金回收和湿法冶金升级回收）的级化生产成本，并将其成本结构与一次原料供应进行对比。
4. 4.
   黑粉价格模型与学习曲线效应分析：将黑粉价格建模为其所含金属（锂、钴、镍、锰）价值、金属回收率（Payables）和市场价格的功能。并应用Wright‘s Law（学习率设为10%），模拟了随着美国报废NMC电池材料供应量增加，回收设施因规模经济导致的成本下降。

结果

Levelized lithium, cobalt and nickel production costs, global mining, refining, and battery-grade material production

研究人员量化了电池级碳酸锂（或氢氧化锂）、硫酸钴和硫酸镍的级化生产成本。结果显示，北美和欧洲的锂项目大多处于高成本区间，而澳大利亚、非洲和南美的设施则集中在低成本端。钴供应由刚果（金）主导，其加权平均生产成本（作为铜矿副产品）为14,588美元/吨钴，比加拿大和古巴的同类型操作分别低46%和56%。镍的最低生产成本出现在巴布亚新几内亚，而非洲、澳大利亚、加拿大、印度尼西亚和美国的平均成本在11,387-12,540美元/吨之间。尽管存在区域趋势，但所有三种金属的单个设施成本差异显著。

Cost data aggregation, baseline primary sourced material costs of NMC cathode active material production

通过汇总区域级化生产成本，研究构建了五种NMC正极活性材料（CAM）的总材料成本结构。基准情景分析表明，完全从全球平均供应 mix（根据2024年区域产量份额定义）采购原料的成本最低，生产1吉瓦时（GWh） NMC 95 CAM的材料成本为1164万美元，NMC 111为1403万美元。完全使用美国本土原料的路径对于低钴化学体系（如NMC 95，成本1269万美元/GWh CAM）尚具竞争力，但相对于欧洲来源情景（1414万美元/GWh CAM for NMC 95）则显示出优势。然而，随着钴含量增加，美国高昂的钴成本使得全美本土供应方案的成本超过了全球和欧洲基准。

Primary supply cost scenario analysis, regional supply configurations and cost-competitiveness of U.S.-based material supply

为了探索降低美国本土一次原料供应成本的路径，研究者生成了392种区域供应链配置。成本分布分析显示，美国与全球平均成本之间的差距以及总体成本分布范围随着钴含量的降低而收窄。对于NMC 95，有44%的配置成本低于全美本土供应方案，但随着钴含量增加，这一比例下降，凸显了在供应受限条件下低钴化学体系的相对竞争力。绝大多数配置的成本都低于全美本土供应方案，这意味着有选择地进口锂、钴、镍可以降低总成本。混合供应策略分析表明，对于低钴的NMC 95，仅进口锂即可弥补成本差距。而对于高钴的NMC 111，保持钴本土供应是成本 prohibitive 的，没有任何进口锂或镍的组合能达到全球基准成本。分析指出，国内锂和钴的成本，而非镍，是实现全球成本竞争力的主要障碍。

Benchmarking U.S. secondary supply costs, material sourcing from recycling and upcycling processes

研究评估了美国本土两种回收路线的成本。 across all NMC chemistries，湿法冶金直接回收路线的成本最高（NMC 95为1820万美元/GWh CAM），湿法冶金升级回收次之（1560万美元/GWh CAM）。这两种回收方案的成本均高于美国本土一次原料供应方案，但随钴含量增加，溢价缩小。由于钴在CAM成本结构中占主导地位，回收工艺对于高钴化学体系相比低钴体系更具吸引力，但尚未实现与本土采矿供应的成本平价。

Secondary supply cost scenario analysis, cost-competitiveness by black mass price reductions and economies-of-scale

为了探究回收供应如何实现成本竞争力，研究模拟了两种优化路径：一是降低金属价格从而降低黑粉和补充金属硫酸盐的成本；二是基于规模经济或学习效应降低其他成本（如公用事业、劳动力、资本支出等）。模型显示，在基准黑粉价格下，规模驱动型学习效应能使湿法冶金回收达到与全美一次供应成本持平的水平，但仍高于全球混合供应基准。升级回收则表现出更强的化学体系依赖性。在金属价格下跌的情景下，本土升级回收可以在所有研究的NMC化学体系中达到甚至低于全球一次供应成本的最低水平。

结论与讨论

本研究通过将设施级数据集与技术经济框架相结合，为NMC正极材料的成本分析提供了新的视角。研究揭示了在当前条件下，完全依赖美国本土一次原料供应生产NMC正极材料通常缺乏成本竞争力，但通过三种杠杆可以改善：选择性进口（如将本土锂或镍与刚果（金）的低成本钴或巴布亚新几内亚的低成本镍结合）、通过股权投资海外矿床以对冲供应风险、以及旨在实现国内生产成本大幅降低的工艺创新（如降低试剂消耗、资本支出、劳动力和公用事业成本）。特别是要实现与巴布亚新几内亚（镍成本低于7000美元/吨）或刚果（金）（钴成本低于15000美元/吨） benchmark 的成本水平，需要集成的工艺创新计划。

回收利用，特别是湿法冶金升级回收，随着报废电池材料流的增长，将在降低进口依赖和供应风险方面发挥更大作用。在金属价格进一步下跌的情况下，升级回收甚至可能在所有NMC级别上与全球最低一次供应成本抗衡。政策制定者可以通过激励黑粉收集、支持工厂扩产和资助研发以降低回收过程的试剂和能源强度来加速这一进程。

该研究为产业界和政府提供了关于投资、贸易和研发优先级的可操作基准。尽管原生采矿在短期内仍不可或缺，但战略性的进口伙伴关系和规模化的本土回收为美国构建一个有韧性且成本可控的电池材料生态系统提供了可信的路径。未来的研究可以进一步将成本和供应数据与动态需求模型结合，并纳入石墨、铜、电芯和电池包制造成本、运输成本以及关税等监管参数，以绘制端到端的电池生产全成本路线图。