【研究背景】
電池對于快速減少溫室氣體（GHG）排放、緩解全球變暖以及實現《巴黎協定》的1.5°C的目標至關重要，這需要交通運輸部門進行變革，因為交通運輸約占全球年度溫室氣體排放量的20%或70億噸CO2當量，其中歐洲交通運輸排放約8億噸CO2當量。盡管一些研究強調了運輸脫碳的困難，但有證據表明，純電動汽車（BEVs）將成為未來低碳道路運輸的支柱。因此，純電動汽車將在未來汽車制造商的產品組合中占據主導地位，一些歐洲國家將至少在2035年之前實施100%零排放汽車（ZEV）的銷售，禁止大規模銷售傳統汽車，其他主要市場，如美國和中國，也設定了零排放目標，預計從本世紀30年代開始。關于電池的需求，交通電氣化被認為是電池技術發展的關鍵驅動力。然而，目前任何對電池需求的預測都是高度不確定和情景依賴的，通常基于隱藏的模型和不明確假設。因此，2030年的全球需求預測覆蓋范圍很廣，通常為3~6太瓦時/年，最高可達近9太瓦時/年，而歐洲的預測約為0.7~1.4太瓦時/年。在電池生產方面，電氣化需要產業轉型和建立新的電池生態系統，以及從原材料提取到報廢的整個價值鏈，并包括循環概念，如二次使用或回收。此外，2019冠狀病毒病大流行和其他地緣政治緊張局勢使人們意識到脆弱的經濟依賴關系，并刺激了技術主權和復原力等現代概念的發展。作為回應，歐盟（EU）最近完成了《零凈工業法案》，旨在確保到2030年戰略零凈技術的充足產能，其中包括國內電池生產至少滿足90%電池需求的目標。全球電池產能為預計到2030年將接近7.0太瓦時/年，歐洲的產能約為0.8~1.6太瓦時/年。目前尚不清楚已宣布的產能中有多大比例將實現，也不清楚生產設施是否能夠快速擴張以滿足日益增長的需求。在本研究中，主要解決以下研究問題：歐洲通過國內生產來滿足其未來電池需求的可能性有多大？
【成果簡介】
近期，德國理工學院Steffen Link教授團隊
在Nature Energy上發表綜述文章“Feasibility of meeting future battery demand via domestic cell production in Europe”。電池技術的發展對于減緩全球變暖至關重要，電動汽車是低碳交通的支柱，也是電池技術進步和需求的主要推動力。然而，電池的未來需求和生產仍然不確定，需要加強國家供給側能力。在這項研究中，利用概率模型，評估了歐洲國內電池生產來滿足其未來對高能電池需求的能力。研究發現，到2030年，歐洲的需求可能超過每年1.0太瓦時，從而超過國內產量，產量需要以31~68%的年增長率增長。到2030年，歐洲的產量很有可能滿足至少50%~60%的國內需求，而實現90%的自給自足也有可能。因此在未來，歐洲國內生產更有可能出現短缺。為了支持歐洲電池發展前景，相關從業者必須加快產能提升，并發布歐洲競爭力的可靠產業政策。
【研究內容】
模擬未來電池的需求和生產。概率模型已經發展成為一種準確和靈活的工具，用于評估未來減緩氣候變化途徑和模擬技術擴散的可行性。作者采用這種方法來獨立預測歐洲未來的電池需求和國內生產，并通過可行性空間和概率論述來評估歐洲實現電池自給自足的途徑。因此，本評述擴展了Odenweller等人的最新進展，這些進展基于Roger的技術采用概念和典型的s形擴散曲線。首先，使用現有電池生產設施及其規定的產能估計國內產量，但只看表面價值很容易導致高估實際容量和高臨時可用性，產能通常也會減少到有效的、實際的產出的影響。在本模型中，在2020年至2030年期間使用了N=144個設施理論上，到2030年，每年的發電量將達到2.55太瓦時，使用邏輯增長模型（LGM）和影響因素（即利用率、報廢、延遲和實現概率）的概率參數化，為每個公告輸入s形生產增量，以得出其有效的、具體化的年產能，這些特征源于早期規劃期之后的兩個典型的上升階段：上市時間和產量時間。上市時間階段通常包括預批量生產和中試生產，并以開始生產結束，其特點是利用率低，但報廢率高，從時間到產量的階段代表了朝著低廢料、高利用率和高產量的既定工藝的進展。 最后，通過累積個別公告來確定歐洲每年的有效生產能力（方法）。其次，電動汽車的高能電池是主要的需求驅動因素，鋰離子電池是目前流行的技術，作者收集了歷史汽車數據，如總銷量和細分市場，以及歷史電動汽車特定數據，如特定車型銷量、安裝電池容量、細分市場和能耗，將這些數據與未來歐洲電池需求的預測結合起來，這些預測基于未來BEV份額的概率參數化、特定細分市場的電池容量、細分市場、總銷量以及其他移動或固定應用的額外需求。為了預測BEV股票，對歷史BEV股票和潛在的未來股票進行了LGM。在這里，假設到2035年潛在的純電動汽車份額將遵循宣布的ZEV目標，并進一步改變拐點以完善s曲線，并獲取電池需求的擴展可行性空間。
圖1.?歐洲電池需求及其國內產能（截至2035年）
歐洲電池需求和產量（截至2030年）。圖1顯示了到2035年歐洲電池需求及其國內生產能力。截至2035年，在大量純電動汽車發展的推動下，到2030年，歐洲電池需求可能會超過1.0太瓦時（占所有情景的69%）。 2030年的四分位數差（IQR）為0.97~1.2太瓦時。一些高需求場景早在2026年就可能超過1太瓦時閾值，到2030年甚至接近1.6太瓦時，其中前10%超過1.30 太瓦時。高總銷量、高純電動汽車份額、大型汽車更高的細分市場份額、每個細分市場更大的電池容量的疊加可能會產生高需求場景增加。到2030年，低需求情景幾乎不會低于0.85太瓦時。對于可實現的純電動汽車銷售份額，由于歐洲ZEV法規的影響，在2035年之前會縮小。因此到2025年純電動汽車的銷量很可能在30%左右（IQR中值=25~34%），到2030年將達到70%（IQR中值=65~80%）。
與需求情景相比，國內生產的可行性空間有更明顯的峰值（圖1）。到2030年，國內生產不太可能超過1.0太瓦時（39%），IQR為0.93~1.04太瓦時。少數高產場景達到1.2太瓦時，前5%超過1.10太瓦時。低產量情景幾乎低于0.86太瓦時。低實體化率、低利用率、長時間延遲和高廢品率疊加可能產生低生產能力。由此平均增長率達到了31~43%的年增長率，但其他技術也見證了這一點。從歷史上看，風能和太陽能的年增長率至少為15%，通常在39%~50%之間。一般技術采用增長率通常低于13~14%，但偶爾也超過30~40%。相比之下，Odenweller等人指出，計算出的產量增長率更大，從55~68%不等。因此，如果這種特殊的增長率沒有實現，到2030年歐洲的產能大幅下降，這證實了實際產能擴張速度比宣傳的要慢。
圖2.?預計2025年和2030年歐洲電池需求和供應的比較
90%的自給自足（截至2030年）。圖2顯示了2025年和2030年生產與需求的軌跡（左）和具有累積密度的密度圖（右）。到2025年（90.1%）和2030年（99.5%），國內生產很有可能滿足至少60%的需求，盡管2025年的結果顯示短期國內生產短缺的風險略有上升。對于2030年，實現90%的自給自足目標似乎可行，因為這對應于平均值和中位數（IQR=80~100%），但不能完全確定，因為近一半的情景（49%）沒有達到90%的自給自足目標。在少數情況下（11%），生產能力超過國內需求10%以上。本結果具有穩定性，即使用Gompertz或Bass擴散模型代替LGM來捕獲不對稱增長。Gompertz模型的結果顯示，在較低增長率下，可行性空間較窄，國內生產能力短缺加劇，特別是在2025年左右。此外，如果使用Gompertz模型限制總產能的增長率（15~39%），到2030年，將觀察到~0.89太瓦時（IQR=0.84-0.96太瓦時），超過1太瓦時的可能性更小（15%）。因此，90%的自給自足目標將更加危險，而實現超過50%的自給自足并比較容易（98.1%，IQR=75-90%）。除了單純的國內生產能力和自給自足之外，公司的起源在可及性和技術主權的背景下是相關的。雖然在本世紀20年代初，亞洲公司的比例接近100%，但預計歐洲公司的份額將大幅增加。到2025年，大約三分之二的物化產能可能來自亞洲附屬公司，超過三分之一來自歐洲公司，而到2030年，預計歐洲公司將占據最大份額（45~55%），而亞洲公司的份額預計將下降（40~50%），美國公司預計將占據適度的份額（3~8%）。
表1?概述歐洲五種關鍵電池原材料的需求、生產、儲備和資源數據
歐洲電池原材料產業地位。電池產業鏈的復雜性意味著需要與原材料采購一起評估生產能力，其中國內可用性是歐洲和其他國家的決定性因素。所需原材料數量來表達歐洲電池需求表明，到2035年對關鍵材料，即鎳、鈷、石墨、鋰和錳的累積需求預計將大幅增加，相對于2025年的需求量，預計將增加9倍（鈷）和12~15倍（鎳、錳、石墨和鋰），而歐洲在2030~2035年之前將依賴原材料進口。有三個因素表明其地位正在增強。首先，就預期需求而言，國內有大量錳和天然石墨儲量，鋰和鎳的前景可能較低，但原鈷稀缺。第二，現有自給自足評估表明了建設進展，歐洲價值鏈的上升速度必須非常快，雖然國內加工可能仍然需要進口鈷和鎳（所有等級），但鋰的主要份額和大部分錳可能可以在國內采購和精煉。天然石墨（所有等級）可能既需要本地采購和精煉，也需要進口，全球供應多樣化預計也會降低總體依賴風險。第三，強調循環經濟和循環利用，正如歐盟的關鍵原材料法案所提議的那樣，或受到美國通貨膨脹減少法案的激勵，有可能減少依賴，進一步提高全面電池生態系統的可持續性，同時確保材料的可用性。然而，目前對電池回收的預測表明，在21世紀30年代初，電池的回收或二次使用/再利用將不那么重要，但在此之后，電池的重要性將急劇上升，尤其是鎳、鈷和鈷的潛力將得到釋放。此外，鈉離子電池等電池技術有望取代鋰離子電池，這些目前正處于大規模商業化的初期。
不確定性和政策影響。本研究結果表明，歐洲已經確定了從電池研發（R&D）到生產和建立價值鏈的過程。雖然預計到2030年將有大量產能增加，但到2030年達到歐盟設定的90%自給自足的目標是極具挑戰性的，因為生產能力需要超高增長率。盡管如此，預期結果表明，電池的國內生產不太可能成為歐洲BEV市場擴散的瓶頸，并且將符合1.5°C全球變暖目標所需的運輸特定排放預算（即到2030年ZEV銷量達到70%，不遲于20335年達到100%）。但本分析結果在概率參數選擇和參數假設、缺乏反饋機制的獨立建模、數據可用性或被忽略的車輛交易方面存在局限性，需要改變擴散模型和某些參數進一步證明。
首先，從獨立程序評估審查技術（PERT）分布中采樣參數（方法）。具體的最小值、最可能值和最大值主要基于文獻值，但也有一些是內部根據最近的發展作出的假設和預測。雖然這意味著每個參數具有代表性的可行性空間，但現實世界的分布是未知的，參數依賴性被忽略，潛在的趨勢中斷可能被忽略了，比如運動型多用途車（SUV）的受歡迎程度下降，或者電池尺寸縮小。未來的研究可以進一步分解參數，如來自其他應用的需求。其次，捕獲供給和需求之間的依賴關系和反饋機制可能會限制聯合可行性空間，因為實質上解耦的情景，例如高產量低需求或反之亦然，可能被認為是不可能的。同樣，純電動汽車的續航里程保持在較低水平，但其銷售份額卻上升得很高，這種需求場景可能被認為是不可能的，因為對續航里程的焦慮仍然是許多潛在買家的一個重大障礙。未來的研究可以使用其他方法，比如系統動力學。第三，生產能力是從個別公告得出的，而不是基于模型或需求驅動的前景，這限制了數據集和結果的準確性。由于缺乏標準化，很難區分在公布的能力中哪些計算在內，哪些沒有計算在內。如果包括產能利用率，我們將在2030年獲得更高的產能（1.15~1.30太瓦時），增長率不受限制，幾乎平行的趨勢略低于需求，增長率有限。另一方面，由于沒有明確的2030年以后的公告，盡管模型考慮了延遲實現的因素，但供應曲線在2030年趨于平緩，這可能導致2030年至2035年之間的產能被低估。當然，2030年后可能會出現更多的產能。然而，到目前為止還沒有任何公告，盡管距離這個日期只有5年的時間了，而且并不是每個工廠都有可能在短時間內擴張。第四，將國內電池需求與國內銷售聯系起來，假設歐洲銷量與產量相等，而忽略了任何對外貿易，就像電池本身一樣。雖然歐洲汽車總銷量和產量數據很吻合（±10%），但在2015年至2022年的貿易平衡中，出口主導了進口，進口（小型車和量產型）和出口（大型車和高檔車）車型之間存在明顯區別。
在本評述中，忽略了價值鏈的上游和下游部分，這也可能限制歐洲電池行業的發展前景。 最值得注意的是，原材料精煉能力以及進一步加工正極和負極活性材料（CAMs和AAMs）和電池組件的生產商將需要向國內工廠供應。在這方面，歐洲已經有幾個公告，CAM處理比AAMs取得了更大的進展。然而，大多數已宣布的電池工廠可能已經獲得了長期供應合同，從而降低了材料的風險短缺。最后，目前熟練工人的短缺可能會繼續超過歐洲的增長速度。這種短缺影響了所有技術就緒水平的科學和工業研發，以及從工廠建設到電池制造和系統級集成的直接和間接就業機會。未來的研究可以調整概率模型來整合這些方面。
關注政策和行業決策者的影響，歐洲正在努力建立一個有競爭力和可持續的電池生態系統，并制定了具體的議程和路線圖，包括《零凈工業法案》。這包括啟動幾項倡議和公私合作伙伴關系，如歐洲電池協會和歐洲電池伙伴關系協會，或在歐洲共同利益重要項目框架下提供資金，以在規模擴大、可持續性、回收和數字化等跨領域問題上協調行業和政策觀點。此外，還有一些特殊的貿易和合作協議，如歐盟-英國電池原產地規則。雖然可能沒有單一的政策戰略來促進電池生態系統，但強調了產業政策在平衡貿易保護主義和全球競爭力方面的作用。雖然目前歐盟的電池政策側重于供應側，許多舉措都側重于研發，但最近的舉措，如歐洲戰略技術平臺或臨時危機和過渡框架，明確關注工業發展、競爭力和主權。最近的例子（如德國的Northvolt電池廠），表明這種產業政策在刺激國內項目方面可能是有效的。全球競爭可能要求制定政策，創造有吸引力的、可預測的國內市場，并降低行業參與者的風險，例如公私風險回報分擔工具，而純粹著眼于國內的政策可能相當有害。關于優先事項，強調建立全面、可持續的價值鏈同時面臨巨大挑戰和阻礙快速競爭力的內在風險。例如，中國多年前就開始構建具有國際競爭力的電池價值鏈，引領當前的電池研發，雇傭了大量專業人才，目前正朝著更循環、更安全、更可持續的電池方向發展。最后，需要強調使用凈實際生產能力作為預測基礎的重要性，而不是宣布的能力，這沒有考慮廢鋼率、新技術發展、非最佳產能利用率或與建設和許可相關的延遲。對于行業參與者來說，本研究結果表明，國內附加值、根據歐洲需求定制電池、原材料生產和電池回收本地化具有巨大潛力。此外，作者呼吁進一步投資當地電池生產，以避免國內生產短缺，同時密切關注國際發展。
【文獻總結】
在這項研究中，作者基于最新的經驗數據，使用s形生產上升和技術擴散的概率模型來預測歐洲未來的電池需求和國內生產，能夠以一致、透明和徹底的方式，通過可行性空間和概率來評估歐洲電池自給自足的前景。根據結果，可以得出四個主要結論。
（1）到2030年，歐洲的需求可能會出現雄心勃勃的增長，至少達到每年1.0太瓦時。 相比之下，到2030年，國內產能更有可能落后于太瓦時規模，到2025年之后，這種勢頭將會增強，產能需要以非常規的速度增長。
（2）歐洲在電池價值鏈上的前景非凡。一方面，到2030年，通過國內生產滿足至少50~60%的需求是很有可能的，歐洲附屬公司的貢獻預計將大幅增長，同時改善歐洲原材料狀況的潛力也存在。另一方面，到2030年可能實現90%的自給自足。
（3）電池需求的短期波動不應影響投資決策，也不應減損基于溫室氣體減排、制造商公告和歐洲及全球汽車核心市場的ZEV目標的長期承諾。國際ZEV目標也將限制歐洲未來對非BEV的出口能力。
（4）全球電池制造業的競爭、復雜的價值鏈、對原材料的依賴和耗時的增加，都強調了立即采取行動和制定可靠政策的緊迫性，以降低風險并確保一定的可預測性。如果沒有這些，歐洲對進口電池的需求可能會持續下去，甚至會增加，從而使歐洲在當前和未來可持續交通和能源的關鍵技術上繼續依賴進口。
來源：能源學人
【文獻信息】
Feasibility of meeting future battery demand via domestic cell production in Europe
Nat. Energy?2025. (DOI: 10.1038/s41560-025-01722-y)
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01722-y
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