提升关键材料供应链韧性：美国镓(Ga)供应案例研究与技术经济分析

为解决中国主导全球镓(Ga)供应链(2023年占98%产量)导致的进口国供应风险问题，劳伦斯伯克利国家实验室团队通过物质流分析(MFA)评估美国镓生命周期流动，结合技术经济评估(TEA)建模两种本土生产路径（拜耳法废液和锌浸出渣(ZLR)提炼）。研究发现：到2035年，本土初级生产可100%满足需求（成本421-509$/kg），而报废产品(EoL)回收最高贡献50%供应。该研究为关键材料供应链多元化提供了量化决策依据。

　　

在全球能源转型加速的背景下，镓(Ga)作为清洁能源技术的关键原材料，其供应链安全正面临严峻挑战。这种银白色金属虽在地壳中仅以痕量存在，却是制造高效半导体(GaAs/GaN)、LED照明和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的核心材料。然而当前全球镓供应链呈现"中国单极"格局——2023年中国以600吨产量垄断全球98%的初级镓生产，而美国等进口国长期依赖100%进口。这种高度集中的供应模式，叠加2023年中国实施的镓化合物出口管制，使得关键材料供应风险成为能源转型道路上的"阿喀琉斯之踵"。

为破解这一困局，劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队开展了一项开创性研究。研究人员采用物质流分析(MFA)量化了2023年美国镓全生命周期流动，并创新性地结合技术经济评估(TEA)，系统比较了两种本土化生产路径的经济可行性。论文发表在资源循环领域顶级期刊《Resources, Conservation and Recycling》上，为关键材料供应链韧性建设提供了科学范本。

研究团队运用三大关键技术方法：1) 构建静态/动态物质流模型，追踪美国镓在采矿、精炼、化合物制备、中间产品制造到终端应用五个生命周期的流动；2) 建立报废产品(EoL)模型，预测2035年前不同回收率情景下的二次供应潜力；3) 开发技术经济模型，基于北美现有工业设施（路易斯安那州氧化铝厂和田纳西州锌冶炼厂）参数，计算拜耳法废液和锌浸出渣(ZLR)提炼镓的平准化生产成本(LCoP)。

研究结果部分，"美国2023年镓物质流分析"显示：当年美国消耗的19吨镓全部依赖进口，主要形态为2-4N(99-99.99%)和6-7N(99.9999-99.99999%)高纯镓及砷化镓(GaAs)晶圆。值得注意的是，生产过程中产生19.8吨废料（58%可回收），但10.5吨报废产品最终填埋，凸显资源浪费。

"2035年替代供应情景"模拟表明：在需求年增长6.5%的中等情景下，拜耳法(76.61吨/年)和ZLR(95.65吨/年)两种本土初级生产均可完全满足40.5吨的年需求。而报废产品回收在优化条件下（90%回收率+工艺改进）最高可贡献56%供应量，其中集成电路(ICs)回收效果最佳。

"技术经济评估"揭示：拜耳法路径平准化成本421.98/kg，显著优于ZLR路径的508.82/kg（未计入锗副产品）。若考虑锗共生产，ZLR成本可降至295.93/kg。但与EoL回收成本(如CIGS太阳能电池回收需3451/kg)相比，两种初级生产路径均展现显著经济优势。敏感性分析显示，资本支出占成本结构主导地位（60-70%），而120万美元的政策补贴可使成本降低30%。

在讨论环节，研究者指出三个关键启示：首先，基于现有工业设施的"棕地开发"策略可快速实现产能部署——单座拜耳法工厂产能即超美国历史最高消费量(36吨/年)。其次，政策干预应聚焦降低资本壁垒，模拟显示适度补贴即可使本土生产具备价格竞争力。最后，太平洋地区（澳大利亚/印尼）拥有巨大生产潜力，其铝土矿若含镓量与基准相当，年产能可达1360吨，这为构建多元化全球供应链指明方向。

该研究的现实意义在于：首次通过量化模型证明，在适度政策支持下，美国完全可能通过"本土初级生产+战略回收"组合拳，打破关键材料供应受制于人的困局。方法论上开创的"MFA+TEA"双模型框架，不仅适用于镓供应链优化，更为锂、钴等其他关键材料的韧性评估提供了标准化分析工具。随着各国加速推进"关键原材料法案"，这项研究无疑为政策制定者提供了数据驱动的决策依据，其成果或将重塑全球关键材料产业格局。