新冠疫情对科技金属供应的影响

原文作者:Ata Akcil, Zhi Sun & Sandeep Panda 新冠疫情迫使许多矿山、工厂及边境暂时关闭,电池、风力涡轮机和太阳能电池板中常用关键金属(如钴、锂)的流通严重受阻。 太阳能电池板、风力涡轮机和电池能量的存储和转换需要硅、钴、锂等来实现。相关金属被


原文作者:Ata Akcil, Zhi SunSandeep Panda

新冠疫情迫使许多矿山、工厂及疆域暂时关闭,电池、风力涡轮机和太阳能电池板中常用要害金属(如钴、锂)的流通严重受阻。

太阳能电池板、风力涡轮机和电池能量的存储和转换需要硅、钴、锂等来实现。相关金属被称为科技金属(technology metal)。获取这些科技金属对于应对天气转变至关重要。天下银行估量 [1]要使全球能源系统在2050年脱碳,将需要约莫30亿吨金属和矿物。新冠疫情之前,其供应已经异常重要。现在,科技金属行业更是一片杂乱。

新冠疫情致使数百座矿山、冶炼厂和炼油厂部门或所有关闭(见go.nature.com/3ehkn9g)。2020年的金属产量比去年降低至少三分之一,相关收益预计损失约90亿美元。


嘉能可(Glencore)在刚果民主共和国的穆坦达(Mutanda)露天铜矿场。泉源: Per-Anders Pettersson/Getty

南美和非洲的煤矿受到的袭击最为严重。秘鲁在2020年4月份完全住手了铁和锡的生产,现在仍在起劲将生产水平恢复到以前的80%。南非的矿山,包罗铂金矿,已于3月关闭,自5月份最先也仅仅以之前一半的产能在运行,这在财政上是无法历久维持的。

工业对金属的需求随着全球经济的放缓而下降[2],同时工厂和疆域的关闭也扰乱了国际金属供应链。例如,2020年早些时候,中国的封锁中断了全球近一半电池质料的供应。武汉是汽车和电池的主要制造中央,武汉工厂从1月尾一直关闭到了4月。

金属市场也因此颠簸。预计2020年的价钱平均下跌13%[2],铂、铜和铝的降幅为0.5%-4.5%,锌和镍则划分下跌11%和17%。相比之下,一些稀缺质料由于要确保供应而价钱飙升、竞争猛烈[3-5],包罗用于制造电脑芯片、手机、电池和磁铁的稀土元素(如铈、钇、镧和钕)。许多国家希望大力生长可再生能源产业,借此推动经济并削减碳排放,这也导致了对这些金属的需求飙升[6]

各国政府和研究人员必须通力合作,确保全球科技金属的供应。需要接纳的措施包罗:保证新冠疫情时代对矿业行业的支持,收紧金属进出口条例和实行可连续开采措施,提高电子废弃物中金属的接纳率。

珍贵的质料

对绿色能源手艺至关重要的金属跨越30种。其中铝和铜的需求最大,常用于涡轮机叶片、电线和电极。钴、锂、镍和铁则是电池的要害身分。开采出来的钴跨越60%被用于制造可充电电池。稀有金属,如铟和镓,被普遍应用于电子元件,如晶体管和计算机芯片。而钕和镝则被用于制造磁铁。

为了实现可再生能源目的,这些要害金属的需求正在飙升。凭据《巴黎天气协定》,到2035年,风能和太阳能的全球产能需要翻一番,才气知足全球一半的能源需求(见go.nature.com/2jvjte7)。更多的能量需要被储存,这意味着对钒、镍、锂和钴的需求也将更大。到2050年,对锂和钴的需求预计将增进至2018年的五倍[1]。另外,其他的手艺进步,如5G数字通信,也进一步增添了这些资源的供应压力。

这些金属的供应由少数公司和国家掌控。收入最高的矿业公司包罗:瑞士巴尔的嘉能可(Glencore)、澳大利亚墨尔本的必和必拓(BHP)、伦敦的力拓(Rio Tinto)以及巴西里约热内卢的淡水河谷(Vale)(见go.nature. com/3ktnrme)中国供应了约90%的稀土元素。中国和欧洲的公司掌握着刚果民主共和国(DRC)的钴生产。刚果同时也盛产铜、锡、钽、钨和黄金。澳大利亚和智利则主导着锂的生产[4],东南亚国家生产了最多的镍,中国还生产了最多的石墨。

依赖入口的区域很容易受到供应、价钱以及政治风浪的影响。生产商也不能幸免。例如,2018年,刚果民主共和国的一项政策转变引发了一场经济连锁反应,导致该国最大钴矿之一嘉能可的穆坦达(Mutanda)矿场停产。刚果民主共和国政府宣布,将把钴作为一种战略物质来看待,并将矿区使用费从2%提高到10%。价钱动荡随之而至。同时由于中国对电动汽车的需求下降以及加工钴矿所需化学品的获取面临瓶颈更是加剧了价钱动荡。自2019年11月以来,穆坦达矿场一直关闭,导致全球钴产量降低20%。

天下上最大的经济体纷纷意识到了风险。例如,美国能源部列出了35种要害的科技质料[5];其中镓主要从中国、英国、德国和乌克兰入口,稀土元素主要依赖于中国、爱沙尼亚、马来西亚和日本[3],另外锂从阿根廷、智利、中国和俄罗斯入口,而钴来自中国、挪威、日本、芬兰和刚果民主共和国[5]

同样,欧盟也有一份包罗30种要害原质料的清单。其中稀土元素的欠缺可能会导致无法实现《欧洲绿色协议倡议》中到2050年欧洲经济脱碳的目的[7]。中国也一样依赖入口,从澳大利亚和智利入口锂,从南亚国家入口镍,从南非和俄罗斯入口铂族金属,以及从刚果民主共和国入口钴。

新冠疫情加剧了供需问题。武汉制造业停产以及2020年第一季度中国经济下滑20%,一最先导致铜价下跌了19.6%,镍价下跌18%,钴价下跌7%。不外,随着一些制造业的开放,它们的价钱一直在缓慢回升。相比之下,镝和钕的价钱在2月和3月左右上涨——由于这些金属仍然备受追捧,而锂和镧的价钱在4月左右有所下跌(见“金属市场”)。 


泉源:上海有色网(Shanghai Metals Market)

由于全球经济放缓抑制了需求,市场动荡可能至少连续到2021年。飞机制造商(包罗波音和空客)和汽车制造商(如特斯拉、民众、捷豹路虎和丰田)都缩减了产量。天下上许多地方的采矿业仍处于阻滞状态,同时赞比亚、刚果民主共和国以及南非的工人均受到新冠防疫政策的影响。

三种选择

政府有三种应对方式。

首先,开发其他储量。例如,加大对巴西、越南、澳大利亚、俄罗斯、印度和格陵兰的稀土元素矿藏的开采,可以削减对中国的依赖(见 go.nature.com/385tusy)。这一历程将十分漫长——例如,欧洲要确立起中国以外的稀土供应链至少需要15年时间[7]。此外,开采矿产资源的环境成本也很高:好比采矿发生的废物可能含有放射性元素和其他污染物,而加工历程发生的废水则会释放出氨并含有重金属。清洁生产需要思量矿物中的所有化学物质。

其次,开发可以使用替换质料的新手艺。这是势在必行的。例如,钴在地壳中的储量不够厚实,无法以低廉的价钱提供全天下所需的所有电池,且其常常是在恶劣的社会和道德条件下开采的。美国汽车制造商特斯拉和中国电池公司宁德科技(CATL)等正在研发不含钴的电池。然而,许多替换品依赖于致癌的镍或储能效率较低铁(磷酸铁锂电池中的铁)。此外,固态电池和钠离子电池也较有远景。

最后,接纳。用过的电池和过时的装备比矿石含有更高的金属浓度,因此从这些物品中提取可能更经济。纵然不能知足不停增进的需求,接纳也能增添供应。它还能缩减供应链和物流成本。手艺比较发达的国家或区域,如欧盟、美国、中国、印度和日本,会发生大量的电子垃圾,可以就地再处置[8]。然而,这还需要战胜一些经济、手艺和治理障碍。


在越南的一个村庄里,妇女们正将电子垃圾分类以用于接纳。泉源:Nguyen Huy Kham/Reuters

电子垃圾的接纳率很低。全天下只有17%的电子垃圾被网络处置。欧洲是接纳比例最高的区域之一(2018年约为40%,见 go.nature.com/2tkqfgr),该区域生产的金属约有一半(40%至60%)来自废金属处置接纳(见 go.nature.com/3tyj22t)。欧盟委员会还想进一步提高这一比例,并设定了从2019年起将废弃电器和电子装备的接纳比例提高到65%的目的。然而,几乎没有成员国具备实现这一目的的条件。

在中国,废旧锂离子电池的接纳已经最先填补要害原质料的供应。中国已经明确要求电子产物制造商对其产物的接纳负有执法责任,或者交税以填补响应接纳成本。

然而,仍有许多废物被直接送往垃圾填埋场,或(有时是非法的)送往尼日利亚、加纳、巴基斯坦、坦桑尼亚和泰国等国家。其中许多国家的环境、康健和平安执法都不完善。而这些废物中的金属和其他有毒物质,如阻燃剂、铅和镉,会污染土壤和地下水,并损害工人的康健。

对金属行业举行再引发

要稳固要害金属的供应,需要接纳以下三个步骤。

首先,政治领导人应在疫情后的刺激方案中支持金属和矿产行业以及其接纳行使。随着对绿色能源手艺的需求激增,这个行业提供收入和就业机会的时机已经成熟。对矿业的税收减免将使它们得以重新开工。跨境以及海内金属供应链应获得珍爱,确保原质料能从矿山运输到各工厂。政府和银行还应该把投资目的放在科技金属的接纳和再行使上,以削减对入口的依赖。

其次,研究人员和制造商应该为这些质料开发“循环经济”[8,9]产物需要更环保、更节能、更持久、更容易接纳和修复。废弃产物的再行使、质料和金属的接纳都需要与清洁生产一起融入到工业中[9,10]。这需要各种研究连系冶金、化学、环境和生物手艺工程的原理来实现。

第三,各国应凭据联合国可连续生长目的确立一个全球同盟,支持要害金属行业和可再生能源手艺的生长。这一机构将关注矿物-金属资源的可连续治理,包罗执法、财政、手艺和环境等方面。重点包罗振兴国际供应链,促进制造业生长,转移接纳手艺,以及在都会垃圾接纳和资源接纳方面举行创新。

由欧洲创新手艺研究所(EIT)治理的欧洲研究网EIT RawMaterials就是一个很好的例子。2019年,它成立了稀土行业协会(Rare Earth Industry Association),汇聚学术界和产业界以增强行业研究和政策制订。其合作者包罗中国稀土行业协会,日本新金属协会和欧洲要害原质料同盟。

质料是科技行业的命脉。随着天下面临经济、环境以及社会动荡,保持供应的流动变得越来越重要。

参考文献:

1. Hund, K., La Porta, D., Fabregas, T. P., Laing, T. & Drexhage, J. Minerals for Climate Action: The Mineral Intensity of the Clean Energy Transition (World Bank, 2020).

2. World Bank. Commodities Market Outlook: Implications of COVID-19 for Commodities (World Bank, 2020).

3. US Geological Survey. Mineral Commodity Summaries 2020 (USGS, 2020).

4. Australian Government, Department of Industry, Innovations and Science, Australian Trade and Investment Commission. Australia’s Critical Minerals Strategy 2019 (Commonwealth of Australia, 2019).

5. US Department of Energy. Testimony of Daniel Simmons, Assistant Secretary for Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy, Before the U.S. Senate Committee on Energy & Natural Resources, September 17, 2019 (US Dept of Energy, 2019); available at http://go.nature.com/3thsscc

6. Kim, T.-Y. & Karpinski, M. Clean Energy Progress After the COVID-19 Crisis Will Need Reliable Supplies of Critical Minerals (International Energy Agency, 2020).

7. EIT RawMaterials. Position Paper on COVID-19 (EIT RawMaterials, 2020); available at http://go.nature.com/2jjmxbg

8. Işıldar, A. et al. J. Hazard. Mat. 362, 467–481 (2019).

9. Sun, Z. et al. ACS Sustain. Chem. Eng. 5, 21–40 (2017).

10. Sethurajan, M. et al. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 49, 212–275 (2019).

原文以COVID-19 disruptions to tech-metals supply are a wake-up call为题目揭晓在2020年11月17日的《自然》的谈论版块上

© nature

doi:10.1038/d41586-020-03190-8


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