石墨：关键矿物的供应链挑战与建议（英）

石墨关键矿物的供应链挑战和建议Amrish Ritoe、伊琳娜·帕特拉豪、米歇尔·拉德梅克2022 年 3 月 石墨关键矿物的供应链挑战和建议作者：Amrish Ritoe、Irina Patrahau、Michel Rademaker (PL)封面图片来源：史蒂夫·尤尔维森ISBN/EAN: 97894921029732022 年 3 月本文中提出的分析，包括结论和建议，是独立研究的产物。本文内容的责任由作者本人承担。通过 Urbix, Inc 对海牙战略研究中心的财政捐助，这项研究成为可能。© 海牙战略研究中心。版权所有。未经 HCSS 事先书面许可，不得以任何形式通过印刷、照片打印、缩微胶卷或任何其他方式复制和/或发布本报告的任何部分。所有图像均受其各自所有者的许可。 3石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议目录执行摘要四缩略语表五1.石墨作为重要矿物及其主要用途11.1.石墨简介11.2.石墨作为一种关键矿物31.3.电池提前充电42、石墨的来源102.1。天然与合成石墨102.2.石墨供应链主导地位113.石墨供应挑战：经济、安全和气候因素184.如何确保石墨的数量和质量合适？234.1。建立规模化生态系统234.2.确保获得石墨矿石245. 参考文献26 4石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议执行摘要能源转型依赖于原材料的安全供应，以大规模部署低碳技术。鉴于石墨对战略部门的重要性以及与其供应相关的风险，石墨是欧洲和美国 (US) 政府的重要矿产。该矿物在使温室气体排放量高的两个经济部门脱碳方面发挥着重要作用：交通运输和重工业。实现运输和钢铁生产脱碳的技术将在很大程度上依赖于优质石墨的持续供应，从而导致未来几十年对石墨的需求呈指数增长。本文分析了采购石墨的实际、地缘政治和环境挑战，并就欧盟 (EU) 和美国如何在未来几十年降低供应风险提供了建议。随着大多数国家在未来几十年内努力实现碳中和，与 2018 年的水平相比，对石墨的需求可能会增加 500%。 1 中国占全球石墨供应量约 80% 的石墨生产和加工集中地欧盟和美国容易受到供应链中断的影响。2 在锂离子电池方面，中国的主导地位变得更加引人注目。中国主导着整个锂离子电池供应链，而不仅仅是供应链中依赖关于石墨的生产。随着中国致力于经济脱碳，全球石墨和电池的供应将面临相当大的压力。有两种类型的石墨：天然石墨和合成石墨。虽然天然石墨可以在全球多个司法管辖区开采，但合成石墨的供应基础较窄，因为它是由石油或煤基针状焦生产的。在炼钢的生产电弧炉 (EAF) 中，合成石墨是首选，但电池生产商可以使用合成石墨和天然石墨作为原材料。由于其可预测的、一致的性能和吉祥特性，人造石墨长期以来一直优于天然石墨。然而，它的生产成本高、能源密集且对环境有害。从环境、社会和治理 (ESG) 的角度来看，在“绿色能源”技术中使用合成石墨存在很大问题，因此生产商越来越难以证明其合理性。电弧炉对合成石墨的需求增加以及其他 ESG 挑战可能导致锂离子电池生产商转向天然石墨和新的加工方法。由于新的可持续生产工艺以及在中国以外地区扩大规模的潜力，天然石墨的加工正变得越来越受欢迎。天然鳞片石墨矿分布在莫桑比克等非洲国家和乌克兰、挪威等欧洲国家。欧盟和美国的公司已经开发出更清洁的方法，以对环境负责且经济高效的方式加工天然鳞片石墨。非洲、欧盟和美国的生产国处于独特的位置，可以将其资本、知识和原材料汇集起来，建立一个符合环境和社会标准的稳固供应链，并确保石墨供应所需的石墨供应。活力过渡。政府举措可以培育一个生态系统，降低投资风险，提高公众对工业流程的接受度，并扩大国内的处理能力。1Kirsten Hund 等人，“气候行动的矿物：清洁能源转型的矿物强度”（世界银行集团，2020 年），12。2美国地质调查局，“矿物商品摘要：石墨”，2022 年，https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022-graphite.pdf； Govind Bhutada，“可视化天然石墨供应问题”，Elements，2021 年 11 月 18 日，https://elements.visualcapitalist.com/visualizing-the-natural-graphite-supply-problem/。 5石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议缩略语表亚视先进技术车辆制造贷款计划纯电动汽车电池电动车BNEF彭博新能源财经复合年增长率复合年增长率一氧化碳2二氧化碳美国能源部能源部电弧炉电弧炉EBA欧洲电池联盟EGHAC欧洲绿色氢加速中心环境、社会及管治环境、社会、治理ESI欧洲太阳能倡议欧盟欧洲联盟电动汽车电动车温室气体温室气体排放千瓦时千兆瓦时3高频氢氟酸H2所以4硫酸冰内燃机国际能源署国际能源署工信部中国工业和信息化部安全数据表可持续发展情景脚步既定政策情景TGC总石墨含量太瓦时太瓦时我们美国31 吉瓦时等于 100 万千瓦时 (KWh)。 1石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议1.石墨作为重要矿物及其主要用途1.1.石墨简介石墨在纸和其他物体上留下痕迹的能力使德国矿物学家亚伯拉罕·沃纳（Abraham Werner）以古希腊词正式命名该矿物石墨烯，这意味着“写”。4 维尔纳在 1789 年的名字选择似乎受到石墨与人类最初相关性的启发。 5 无论是用于 16 世纪英国的绵羊标记、古代地中海文明中的陶器装饰，还是在中世纪制作素描时，石墨最初主要用于装饰目的。但这只是石墨非凡故事的一小部分。随着人们发现如何从矿物的金属和非金属特性中受益，石墨对文明变得越来越重要。在英国人开始使用这种矿物来衬砌炮弹的模具后不久，石墨就变得具有军事重要性。很明显，它对极热的抵抗力，它的强度图 1. 左侧是马达加斯加 Molo 项目的片状石墨样品。资料来源：Next Source Materials。右图是第一次研磨后的天然鳞片石墨。资料来源：印度市场。4Sophie Damm 和 Qizhong Zhou，“天然石墨的供应和需求”，DERA Rohstoffinformationen，2020 年，第 7 期，https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/Studie%20Graphite%20eng%20 2020.pdf ?__blob=publicationFile&v=3。5滑铁卢大学，“石墨”，Wat on Earth，2006 年，https://uwaterloo.ca/wat-on-earth/news/graphite。 2石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议石墨结构石墨层石墨平面图d约2.5天和灵活性使优质石墨非常适合生产表面更光滑的圆形炮弹。因此，炮弹以更高的速度和更远的距离行进，使英国海军在战斗中具有重大优势。不久，英国王室严格控制了石墨的生产，使石墨在政府对具有战略意义的矿物进行分类之前就成为了一种关键矿物。 6如今，石墨被用于汽车、炼钢、核工业、粉末冶金、燃料电池和阻燃剂等各个行业。 7 这种广泛的用途是石墨众多不同特性的结果。石墨既坚固又柔韧，是电和热的良好导体，但它也耐火和耐寒。8 下面将逐一讨论。首先，石墨的蜂窝状分子结构（见图 2）使矿物具有柔韧性和强度，使其在钢铁生产中发挥重要作用。例如，天然石墨用于提高钢水中的碳含量，提高钢的强度。石墨也是良好的电导体。它有一个自由电子来携带电荷，而每个石墨层之间的空间允许这些自由电子轻松移动。 9 这种携带、储存和移动电荷的能力使石墨成为生产石墨烯的首选材料。用于钢铁生产的电弧炉 (EAF) 内的锂离子电池组件和电极。这两个市场都在快速增长，使石墨成为能源转型的重要矿物，如下所述。最后，石墨用于在极端条件下运行的应用中。钢铁工业用石墨涂在铸造模具的内部。 10 让石墨涂料干燥后，模具内部会得到一层精细的石墨涂层，这将有助于分离图 2. 石墨的结构。资料来源：Matt Fernley，“电池材料说明”（电池材料评论，2020 年），4。6如需更多信息，请参阅 John Edward Proctor、Daniel Melendrez Armada 和 Aravind Vijayaraghavan，石墨烯和碳纳米管简介，第 1 版，卷。 43（CRC 出版社，2018 年）。7Damm 和 Zhou，“天然石墨的供需”，7； Matt Fernley，“电池材料解释”（电池材料评论，2020 年），8-10。8Fernley，“电池材料解释”，4。9芬利，4.10Damm 和 Zhou，“天然石墨的供应和需求”，14。 3石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议一旦倒入模具中的热金属冷却下来，就可以铸造物体。它在极端条件下的性能使石墨也成为广泛使用的润滑剂成分。石墨的耐热性有助于润滑剂的可燃性，而其耐极低温的能力使润滑剂在极冷的环境中保持柔软、光滑和液态。 111.2.石墨作为一种关键矿物石墨是能源转型的关键矿物，有助于清洁技术解决方案。与 2018 年的水平相比，到 2050 年，全球对石墨的需求可能增长高达 500%。12 如图 3 所示, 大部分需求来自两个行业：锂离子电池和用于钢铁生产的电弧炉 (EAF) 电极。石墨需求的预期大幅增长引入了经济、战略和气候方面的考虑。世界各国都在致力于实现净零排放到 2050 年及以后的排放量。鉴于道路运输和钢铁生产等重工业是温室气体排放量最大的生产者之一，这些也是欧盟、美国及其他国家政府脱碳的关键优先事项。 13图 3. 到 2026 年，石墨的预计需求分布在最终用途中。资料来源：Matt Fernley，“电池材料说明”（电池材料评论，2020 年），10。电池 电极 耐火材料 Recarb’g 润滑剂 铸造厂 摩擦产品 石墨形状 其他11USGS，“石墨”，专业论文，专业论文，2017，J3。12Hund 等人，“气候行动的矿物：清洁能源转型的矿物强度”，12。13“温室气体排放源”，概述和情况说明书，美国环境保护署，2019 年，https://www.epa.gov/ghgemissions/sources-greenhouse-gas-emissions；欧盟统计局，“石油和石油产品 - 统计概览”，2021 年 8 月，https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Oil_and_petroleum_products_-_a_statistical_overview。4% 5%4%5%6%26%11%25%13% 4石墨 |关键矿物的供应链挑战和建议预期的需求急剧增长以及供应风险高导致某些矿物被归类为“关键矿物”（在美国 14 和澳大利亚 15）或“关键原材料”（在欧盟 16 中）。 17 石墨一直在这些清单中相当长一段时间，2014 年被欧盟作为关键原材料引入。欧盟根据关键性来确定关于材料对欧洲经济的重要性以及供应链中断的风险。 18 美国关注的是获得净进口独立性、美国以外的供应集中以及供应商满足美国国内需求的意愿或能力。 19过去几年，石墨已成为一种具有重要战略意义的商品，各国都在加大努力确保供应以促进能源平稳过渡。接下来的两节讨论石墨的主要用途：用于电动汽车的电池和用于炼钢的电弧炉。1.3.电池提前充电石墨与锂和钴等矿物质一起在生产电池中发挥着重要作用。几乎所有便携式消费设备，如笔记本电脑、手机和相机都使用锂离子电池。电池正在迅速进入电动工具和更大的设备，例如电池电动汽车 (BEV) 和电网存储应用。石墨有助于电池的寿命和性能，这就是为什么它是锂离子电池及其最终应用的首选矿物。具体来说，锂离子电池的阳极是由石墨制成的。 20在过去十年中，锂离子电池的技术发展和大规模生产使总成本降低了 90%。21 然而，更高的原材料价格意味着在短期内，平均电池组价格可能会按名义价格上涨。如果没有其他可以减轻这种影响的改进，B