Nature Energy：欧洲未来10年电池产业格局！

电池对于快速减少温室气体（GHG）排放、缓解全球变暖以及实现《巴黎协定》的1.5°C的目标至关重要，这需要交通运输部门进行变革，因为交通运输约占全球年度温室气体排放量的20%或70亿吨CO₂当量，其中欧洲交通运输排放约8亿吨CO₂当量。尽管一些研究强调了运输脱碳的困难，但有证据表明，纯电动汽车（BEVs）将成为未来低碳道路运输的支柱。因此，纯电动汽车将在未来汽车制造商的产品组合中占据主导地位，一些欧洲国家将至少在2035年之前实施100%零排放汽车（ZEV）的销售，禁止大规模销售传统汽车，其他主要市场，如美国和中国，也设定了零排放目标，预计从本世纪30年代开始。关于电池的需求，交通电气化被认为是电池技术发展的关键驱动力。然而，目前任何对电池需求的预测都是高度不确定和情景依赖的，通常基于隐藏的模型和不明确假设。因此，2030年的全球需求预测覆盖范围很广，通常为3~6太瓦时/年，最高可达近9太瓦时/年，而欧洲的预测约为0.7~1.4太瓦时/年。在电池生产方面，电气化需要产业转型和建立新的电池生态系统，以及从原材料提取到报废的整个价值链，并包括循环概念，如二次使用或回收。此外，2019冠状病毒病大流行和其他地缘政治紧张局势使人们意识到脆弱的经济依赖关系，并刺激了技术主权和复原力等现代概念的发展。作为回应，欧盟（EU）最近完成了《零净工业法案》，旨在确保到2030年战略零净技术的充足产能，其中包括国内电池生产至少满足90%电池需求的目标。全球电池产能为预计到2030年将接近7.0太瓦时/年，欧洲的产能约为0.8~1.6太瓦时/年。目前尚不清楚已宣布的产能中有多大比例将实现，也不清楚生产设施是否能够快速扩张以满足日益增长的需求。在本研究中，主要解决以下研究问题：欧洲通过国内生产来满足其未来电池需求的可能性有多大？

【成果简介】

近期，德国理工学院Steffen Link教授团队 在Nature Energy上发表综述文章“Feasibility of meeting future battery demand via domestic cell production in Europe”。电池技术的发展对于减缓全球变暖至关重要，电动汽车是低碳交通的支柱，也是电池技术进步和需求的主要推动力。然而，电池的未来需求和生产仍然不确定，需要加强国家供给侧能力。在这项研究中，利用概率模型，评估了欧洲国内电池生产来满足其未来对高能电池需求的能力。研究发现，到2030年，欧洲的需求可能超过每年1.0太瓦时，从而超过国内产量，产量需要以31~68%的年增长率增长。到2030年，欧洲的产量很有可能满足至少50%~60%的国内需求，而实现90%的自给自足也有可能。因此在未来，欧洲国内生产更有可能出现短缺。为了支持欧洲电池发展前景，相关从业者必须加快产能提升，并发布欧洲竞争力的可靠产业政策。

【研究内容】

模拟未来电池的需求和生产。概率模型已经发展成为一种准确和灵活的工具，用于评估未来减缓气候变化途径和模拟技术扩散的可行性。作者采用这种方法来独立预测欧洲未来的电池需求和国内生产，并通过可行性空间和概率论述来评估欧洲实现电池自给自足的途径。因此，本评述扩展了Odenweller等人的最新进展，这些进展基于Roger的技术采用概念和典型的s形扩散曲线。首先，使用现有电池生产设施及其规定的产能估计国内产量，但只看表面价值很容易导致高估实际容量和高临时可用性，产能通常也会减少到有效的、实际的产出的影响。在本模型中，在2020年至2030年期间使用了N=144个设施理论上，到2030年，每年的发电量将达到2.55太瓦时，使用逻辑增长模型（LGM）和影响因素（即利用率、报废、延迟和实现概率）的概率参数化，为每个公告输入s形生产增量，以得出其有效的、具体化的年产能，这些特征源于早期规划期之后的两个典型的上升阶段：上市时间和产量时间。上市时间阶段通常包括预批量生产和中试生产，并以开始生产结束，其特点是利用率低，但报废率高，从时间到产量的阶段代表了朝着低废料、高利用率和高产量的既定工艺的进展。 最后，通过累积个别公告来确定欧洲每年的有效生产能力（方法）。其次，电动汽车的高能电池是主要的需求驱动因素，锂离子电池是目前流行的技术，作者收集了历史汽车数据，如总销量和细分市场，以及历史电动汽车特定数据，如特定车型销量、安装电池容量、细分市场和能耗，将这些数据与未来欧洲电池需求的预测结合起来，这些预测基于未来BEV份额的概率参数化、特定细分市场的电池容量、细分市场、总销量以及其他移动或固定应用的额外需求。为了预测BEV股票，对历史BEV股票和潜在的未来股票进行了LGM。在这里，假设到2035年潜在的纯电动汽车份额将遵循宣布的ZEV目标，并进一步改变拐点以完善s曲线，并获取电池需求的扩展可行性空间。

图1. 欧洲电池需求及其国内产能（截至2035年）

欧洲电池需求和产量（截至2030年）。图1显示了到2035年欧洲电池需求及其国内生产能力。截至2035年，在大量纯电动汽车发展的推动下，到2030年，欧洲电池需求可能会超过1.0太瓦时（占所有情景的69%）。 2030年的四分位数差（IQR）为0.97~1.2太瓦时。一些高需求场景早在2026年就可能超过1太瓦时阈值，到2030年甚至接近1.6太瓦时，其中前10%超过1.30 太瓦时。高总销量、高纯电动汽车份额、大型汽车更高的细分市场份额、每个细分市场更大的电池容量的叠加可能会产生高需求场景增加。到2030年，低需求情景几乎不会低于0.85太瓦时。对于可实现的纯电动汽车销售份额，由于欧洲ZEV法规的影响，在2035年之前会缩小。因此到2025年纯电动汽车的销量很可能在30%左右（IQR中值=25~34%），到2030年将达到70%（IQR中值=65~80%）。

与需求情景相比，国内生产的可行性空间有更明显的峰值（图1）。到2030年，国内生产不太可能超过1.0太瓦时（39%），IQR为0.93~1.04太瓦时。少数高产场景达到1.2太瓦时，前5%超过1.10太瓦时。低产量情景几乎低于0.86太瓦时。低实体化率、低利用率、长时间延迟和高废品率叠加可能产生低生产能力。由此平均增长率达到了31~43%的年增长率，但其他技术也见证了这一点。从历史上看，风能和太阳能的年增长率至少为15%，通常在39%~50%之间。一般技术采用增长率通常低于13~14%，但偶尔也超过30~40%。相比之下，Odenweller等人指出，计算出的产量增长率更大，从55~68%不等。因此，如果这种特殊的增长率没有实现，到2030年欧洲的产能大幅下降，这证实了实际产能扩张速度比宣传的要慢。

图2. 预计2025年和2030年欧洲电池需求和供应的比较

90%的自给自足（截至2030年）。图2显示了2025年和2030年生产与需求的轨迹（左）和具有累积密度的密度图（右）。到2025年（90.1%）和2030年（99.5%），国内生产很有可能满足至少60%的需求，尽管2025年的结果显示短期国内生产短缺的风险略有上升。对于2030年，实现90%的自给自足目标似乎可行，因为这对应于平均值和中位数（IQR=80~100%），但不能完全确定，因为近一半的情景（49%）没有达到90%的自给自足目标。在少数情况下（11%），生产能力超过国内需求10%以上。本结果具有稳定性，即使用Gompertz或Bass扩散模型代替LGM来捕获不对称增长。Gompertz模型的结果显示，在较低增长率下，可行性空间较窄，国内生产能力短缺加剧，特别是在2025年左右。此外，如果使用Gompertz模型限制总产能的增长率（15~39%），到2030年，将观察到~0.89太瓦时（IQR=0.84-0.96太瓦时），超过1太瓦时的可能性更小（15%）。因此，90%的自给自足目标将更加危险，而实现超过50%的自给自足并比较容易（98.1%，IQR=75-90%）。除了单纯的国内生产能力和自给自足之外，公司的起源在可及性和技术主权的背景下是相关的。虽然在本世纪20年代初，亚洲公司的比例接近100%，但预计欧洲公司的份额将大幅增加。到2025年，大约三分之二的物化产能可能来自亚洲附属公司，超过三分之一来自欧洲公司，而到2030年，预计欧洲公司将占据最大份额（45~55%），而亚洲公司的份额预计将下降（40~50%），美国公司预计将占据适度的份额（3~8%）。

表1 概述欧洲五种关键电池原材料的需求、生产、储备和资源数据

欧洲电池原材料产业地位。电池产业链的复杂性意味着需要与原材料采购一起评估生产能力，其中国内可用性是欧洲和其他国家的决定性因素。所需原材料数量来表达欧洲电池需求表明，到2035年对关键材料，即镍、钴、石墨、锂和锰的累积需求预计将大幅增加，相对于2025年的需求量，预计将增加9倍（钴）和12~15倍（镍、锰、石墨和锂），而欧洲在2030~2035年之前将依赖原材料进口。有三个因素表明其地位正在增强。首先，就预期需求而言，国内有大量锰和天然石墨储量，锂和镍的前景可能较低，但原钴稀缺。第二，现有自给自足评估表明了建设进展，欧洲价值链的上升速度必须非常快，虽然国内加工可能仍然需要进口钴和镍（所有等级），但锂的主要份额和大部分锰可能可以在国内采购和精炼。天然石墨（所有等级）可能既需要本地采购和精炼，也需要进口，全球供应多样化预计也会降低总体依赖风险。第三，强调循环经济和循环利用，正如欧盟的关键原材料法案所提议的那样，或受到美国通货膨胀减少法案的激励，有可能减少依赖，进一步提高全面电池生态系统的可持续性，同时确保材料的可用性。然而，目前对电池回收的预测表明，在21世纪30年代初，电池的回收或二次使用/再利用将不那么重要，但在此之后，电池的重要性将急剧上升，尤其是镍、钴和钴的潜力将得到释放。此外，钠离子电池等电池技术有望取代锂离子电池，这些目前正处于大规模商业化的初期。

不确定性和政策影响。本研究结果表明，欧洲已经确定了从电池研发（R&D）到生产和建立价值链的过程。虽然预计到2030年将有大量产能增加，但到2030年达到欧盟设定的90%自给自足的目标是极具挑战性的，因为生产能力需要超高增长率。尽管如此，预期结果表明，电池的国内生产不太可能成为欧洲BEV市场扩散的瓶颈，并且将符合1.5°C全球变暖目标所需的运输特定排放预算（即到2030年ZEV销量达到70%，不迟于20335年达到100%）。但本分析结果在概率参数选择和参数假设、缺乏反馈机制的独立建模、数据可用性或被忽略的车辆交易方面存在局限性，需要改变扩散模型和某些参数进一步证明。

首先，从独立程序评估审查技术（PERT）分布中采样参数（方法）。具体的最小值、最可能值和最大值主要基于文献值，但也有一些是内部根据最近的发展作出的假设和预测。虽然这意味着每个参数具有代表性的可行性空间，但现实世界的分布是未知的，参数依赖性被忽略，潜在的趋势中断可能被忽略了，比如运动型多用途车（SUV）的受欢迎程度下降，或者电池尺寸缩小。未来的研究可以进一步分解参数，如来自其他应用的需求。其次，捕获供给和需求之间的依赖关系和反馈机制可能会限制联合可行性空间，因为实质上解耦的情景，例如高产量低需求或反之亦然，可能被认为是不可能的。同样，纯电动汽车的续航里程保持在较低水平，但其销售份额却上升得很高，这种需求场景可能被认为是不可能的，因为对续航里程的焦虑仍然是许多潜在买家的一个重大障碍。未来的研究可以使用其他方法，比如系统动力学。第三，生产能力是从个别公告得出的，而不是基于模型或需求驱动的前景，这限制了数据集和结果的准确性。由于缺乏标准化，很难区分在公布的能力中哪些计算在内，哪些没有计算在内。如果包括产能利用率，我们将在2030年获得更高的产能（1.15~1.30太瓦时），增长率不受限制，几乎平行的趋势略低于需求，增长率有限。另一方面，由于没有明确的2030年以后的公告，尽管模型考虑了延迟实现的因素，但供应曲线在2030年趋于平缓，这可能导致2030年至2035年之间的产能被低估。当然，2030年后可能会出现更多的产能。然而，到目前为止还没有任何公告，尽管距离这个日期只有5年的时间了，而且并不是每个工厂都有可能在短时间内扩张。第四，将国内电池需求与国内销售联系起来，假设欧洲销量与产量相等，而忽略了任何对外贸易，就像电池本身一样。虽然欧洲汽车总销量和产量数据很吻合（±10%），但在2015年至2022年的贸易平衡中，出口主导了进口，进口（小型车和量产型）和出口（大型车和高档车）车型之间存在明显区别。

在本评述中，忽略了价值链的上游和下游部分，这也可能限制欧洲电池行业的发展前景。 最值得注意的是，原材料精炼能力以及进一步加工正极和负极活性材料（CAMs和AAMs）和电池组件的生产商将需要向国内工厂供应。在这方面，欧洲已经有几个公告，CAM处理比AAMs取得了更大的进展。然而，大多数已宣布的电池工厂可能已经获得了长期供应合同，从而降低了材料的风险短缺。最后，目前熟练工人的短缺可能会继续超过欧洲的增长速度。这种短缺影响了所有技术就绪水平的科学和工业研发，以及从工厂建设到电池制造和系统级集成的直接和间接就业机会。未来的研究可以调整概率模型来整合这些方面。

关注政策和行业决策者的影响，欧洲正在努力建立一个有竞争力和可持续的电池生态系统，并制定了具体的议程和路线图，包括《零净工业法案》。这包括启动几项倡议和公私合作伙伴关系，如欧洲电池协会和欧洲电池伙伴关系协会，或在欧洲共同利益重要项目框架下提供资金，以在规模扩大、可持续性、回收和数字化等跨领域问题上协调行业和政策观点。此外，还有一些特殊的贸易和合作协议，如欧盟-英国电池原产地规则。虽然可能没有单一的政策战略来促进电池生态系统，但强调了产业政策在平衡贸易保护主义和全球竞争力方面的作用。虽然目前欧盟的电池政策侧重于供应侧，许多举措都侧重于研发，但最近的举措，如欧洲战略技术平台或临时危机和过渡框架，明确关注工业发展、竞争力和主权。最近的例子（如德国的Northvolt电池厂），表明这种产业政策在刺激国内项目方面可能是有效的。全球竞争可能要求制定政策，创造有吸引力的、可预测的国内市场，并降低行业参与者的风险，例如公私风险回报分担工具，而纯粹着眼于国内的政策可能相当有害。关于优先事项，强调建立全面、可持续的价值链同时面临巨大挑战和阻碍快速竞争力的内在风险。例如，中国多年前就开始构建具有国际竞争力的电池价值链，引领当前的电池研发，雇佣了大量专业人才，目前正朝着更循环、更安全、更可持续的电池方向发展。最后，需要强调使用净实际生产能力作为预测基础的重要性，而不是宣布的能力，这没有考虑废钢率、新技术发展、非最佳产能利用率或与建设和许可相关的延迟。对于行业参与者来说，本研究结果表明，国内附加值、根据欧洲需求定制电池、原材料生产和电池回收本地化具有巨大潜力。此外，作者呼吁进一步投资当地电池生产，以避免国内生产短缺，同时密切关注国际发展。

【文献总结】

在这项研究中，作者基于最新的经验数据，使用s形生产上升和技术扩散的概率模型来预测欧洲未来的电池需求和国内生产，能够以一致、透明和彻底的方式，通过可行性空间和概率来评估欧洲电池自给自足的前景。根据结果，可以得出四个主要结论。

（1）到2030年，欧洲的需求可能会出现雄心勃勃的增长，至少达到每年1.0太瓦时。 相比之下，到2030年，国内产能更有可能落后于太瓦时规模，到2025年之后，这种势头将会增强，产能需要以非常规的速度增长。

（2）欧洲在电池价值链上的前景非凡。一方面，到2030年，通过国内生产满足至少50~60%的需求是很有可能的，欧洲附属公司的贡献预计将大幅增长，同时改善欧洲原材料状况的潜力也存在。另一方面，到2030年可能实现90%的自给自足。

（3）电池需求的短期波动不应影响投资决策，也不应减损基于温室气体减排、制造商公告和欧洲及全球汽车核心市场的ZEV目标的长期承诺。国际ZEV目标也将限制欧洲未来对非BEV的出口能力。

（4）全球电池制造业的竞争、复杂的价值链、对原材料的依赖和耗时的增加，都强调了立即采取行动和制定可靠政策的紧迫性，以降低风险并确保一定的可预测性。如果没有这些，欧洲对进口电池的需求可能会持续下去，甚至会增加，从而使欧洲在当前和未来可持续交通和能源的关键技术上继续依赖进口。

来源丨能源学人