任 鑫，陳其慎，邢佳韻，張艷飛，葛建平，崔博京，王良晨

(1.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

硫酸鎳是一種無機物，易溶于水，是鎳礦產(chǎn)業(yè)鏈的中間產(chǎn)品，主要用于鎳礦產(chǎn)業(yè)鏈下游的電池及電鍍產(chǎn)業(yè)。近年來，全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，硫酸鎳作為動力電池重要生產(chǎn)原料成為鎳產(chǎn)業(yè)鏈中的熱門產(chǎn)品，需求增速迅猛上升。各大礦業(yè)公司、電池企業(yè)紛紛開始投資硫酸鎳項目，探索低成本生產(chǎn)硫酸鎳的技術路徑。許多學者也開展了關于硫酸鎳供需的研究，張邦勝等[1]、杜光焱等[2]對2020年全球硫酸鎳市場進行了研究，認為硫酸鎳的需求將會持續(xù)增加，新能源汽車的增長速度和消費量將決定硫酸鎳的溢價；邢佳韻等[3-4]對鎳供需形勢進行了研究，認為到2030年新能源汽車將會成為鎳消費的第二大部門，其他領域的消費較為平穩(wěn)；胡敏等[5]介紹了動力電池的發(fā)展情況和趨勢，討論了不同動力電池的發(fā)展方向。在此背景下，本文通過梳理硫酸鎳的消費現(xiàn)狀，分析硫酸鎳各個消費部門的消費情況及未來發(fā)展態(tài)勢，利用部門需求預測法，分情景判斷未來硫酸鎳消費形勢；同時，對不同硫酸鎳的生產(chǎn)原料和生產(chǎn)方式進行探討，從硫酸鎳的產(chǎn)量、生產(chǎn)方式、成本等不同方面討論未來硫酸鎳的供應形勢。

1 硫酸鎳的應用領域

硫酸鎳是鎳產(chǎn)業(yè)鏈的中游產(chǎn)品，是硫化鎳或紅土型鎳礦經(jīng)冶煉加工后得到的一種鎳鹽，其下游領域主要應用于新能源汽車動力電池行業(yè)和電鍍行業(yè)。在電池領域中，硫酸鎳是重要的原材料，主要用于生產(chǎn)鎳鈷錳、鎳鈷鋁等三元電池的前驅(qū)體材料；同時，用于生產(chǎn)鎳氫、鎳鎘二次電池正極材料。

2016—2020年，全球硫酸鎳消費量由33萬t增長到64萬t。同期，伴隨全球新能源汽車銷量快速增長，三元電池需求量不斷增加，使得三元電池領域消費量占硫酸鎳消費總量比例由27%快速增長至59%，消費量由9萬t增長到38萬t，動力電池部門成為拉動全球硫酸鎳需求的第一大部門。電鍍行業(yè)是硫酸鎳的第二大消費領域，2016—2020年電鍍行業(yè)消費量由17萬t增長至18萬t，消費平穩(wěn)增長，2020年該領域消費占總量的28%。此外，鎳氫電池、催化劑、印染工業(yè)等領域?qū)α蛩徭囅M保持在8萬t 左右，占比約為13%(圖1)。

圖1 2016—2020年硫酸鎳的應用領域Fig.1 Application areas of nickel sulfatefrom 2016 to 2020(資料來源：北京安泰科信息股份有限公司；萬得信息技術股份有限公司(Wind)。)

2 全球硫酸鎳需求情況

2.1 動力電池領域硫酸鎳需求預測

2.1.1 動力電池技術發(fā)展趨勢

近年來，新能源汽車動力電池裝機量不斷攀升，動力電池逐漸呈現(xiàn)多元化格局。目前，世界主流的動力電池包括以鎳鈷錳為代表的三元電池和磷酸鐵鋰電池兩大類。2020年以前，動力電池以三元電池為主。2020年至今，由于我國新能源汽車補貼政策的退出以及鎳、鈷等金屬價格的上升，汽車企業(yè)開始使用成本相對較低的磷酸鐵鋰電池。2020年磷酸鐵鋰電池的裝機率回升至33%，三元電池降低至66%。兩種電池發(fā)展的技術趨勢決定了該領域硫酸鎳需求的高低。由表1可知，三元電池目前成本高于磷酸鐵鋰電池，但電池容量更大，續(xù)航里程更長，耐低溫性能好，可以在溫度較低狀況下使用，但安全性相對一般[6-7]。

表1 三元電池與磷酸鐵鋰電池的對比Table 1 Comparison of ternary battery and Lithium iron phosphate battery

三元電池包括鎳鈷錳電池、鎳鈷鋁電池等多種類型，其中鎳鈷錳電池占三元電池市場份額超90%。而鎳鈷錳電池中，根據(jù)鎳含量的高低，分為NMC111、NMC433、NMC523、NMC622、NMC811等多個類型。鑒于市場對于鈷供應鏈穩(wěn)定性和高價格的擔憂，三元鎳鈷錳電池呈現(xiàn)明顯的“高鎳低鈷”態(tài)勢。2020年高鎳電池在三元電池內(nèi)部的市場份額由2019年的11%提升至22%，未來該趨勢將進一步持續(xù)。

2.1.2 未來動力電池領域硫酸鎳需求量預測

根據(jù)國際能源署(以下簡稱“IEA”)、彭博新能源財經(jīng)(以下簡稱“BloombergNEF”)等機構(gòu)的預測，2035年全球新能源汽車的銷量將比2020年增長1 308%，達到4 400萬輛，占全球汽車總銷量的47%[6]?；谏鲜鰧Σ煌愋碗姵丶夹g的分析，考慮各類電池技術的發(fā)展仍具有諸多不確定性，本文設置了3種不同情景，分析動力電池領域的硫酸鎳發(fā)展趨勢。

1) 高鎳情景：三元電池技術在成本、安全性和能量密度等方面大大提升，同時原料的價格出現(xiàn)下降，各種車型均采用三元電池，其市場占有率迅速提升，占據(jù)電池市場的主流；2035年三元電池在電動汽車市場占有率達到90%。

2) 低鎳情景：磷酸鐵鋰電池技術取得重大突破，抗低溫性能以及續(xù)航里程等大大提升，三元電池與其相比優(yōu)勢大大減弱，磷酸鐵鋰電池成為主流發(fā)展趨勢；三元電池的市場份額不斷縮減，到2035年三元電池市場份額占30%左右。

3) 參考情景：三元電池與磷酸鐵鋰電池技術各有突破，但始終難以完全取代對方，市場結(jié)合不同電池的特點，針對不同車型對各項指標的需求使用不同電池。三元電池和磷酸鐵鋰電池實現(xiàn)分級消費，并行發(fā)展[7-10]。2035年三元電池的市場份額將會達到65%左右[6,11]；在三元電池內(nèi)部，電池高鎳化已成為產(chǎn)業(yè)趨勢，2035年高鎳811電池在三元電池內(nèi)占比70%～80%。電池容量方面，由于使用者對新能源汽車續(xù)航里程的要求提高，電池容量將不斷提升，根據(jù)中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所研究[12]，到2030年純電動汽車動力電池容量由現(xiàn)在的30～80 kW·h提高到100～120 kW·h，2035年最高將增長至140 kW·h；到2030年插電式混合動力汽車的平均電池容量達到15 kW·h左右，2035年將會達到18 kW·h左右。

因此，根據(jù)全球新能源汽車的增長量、不同三元電池中的含鎳量(表2)、未來不同三元電池的市場份額及未來新能源汽車的電池容量等多方面預測：高鎳情景下，動力電池領域的硫酸鎳需求將由2020年的38萬t增長至500萬t；低鎳情景下，2035年動力電池領域硫酸鎳需求增長至約133萬t，增速較緩；參考情景下，動力電池領域硫酸鎳需求增長至289萬t(表3)。

表2 三元電池中的硫酸鎳用量Table 2 Amount of nickel sulfate in ternary battery

表3 不同情景下三元電池市場份額預測Table 3 Forecast of the market share of ternary batteryin different scenarios 單位：%

2.2 鎳氫電池行業(yè)鎳需求仍較保持較快增長

2020年，全球鎳氫電池領域硫酸鎳消費量為8萬t 左右，主要用于混合動力汽車(混合動力汽車采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機、電動機和蓄電池作為動力源)。2020年全球混合動力汽車產(chǎn)量344萬輛，占全球汽車市場的4.7%[6]。在環(huán)境保護壓力及全球電氣化的趨勢下，新能源汽車市場不斷上升，考慮到目前新能源汽車技術問題及充電設施的不完善，混合動力汽車是一個更加可行的過渡方案。因此，長期來看混合動力汽車的發(fā)展前景十分廣闊[13]。根據(jù)BloombergNEF的預測，到2035年全球混合動力汽車的產(chǎn)量將會達到2 547萬輛，占全球汽車市場份額的比例提升至27%。

以混合動力汽車銷量較高的豐田普銳斯為例，鎳氫電池中，硫酸鎳含量占55%，稀土占32%，其他是鈷、錳及鋁等金屬礦產(chǎn)。此外，鎳氫電池同樣可以用于消費類電子產(chǎn)品，如早期的手機、筆記本電腦等，但隨著鋰電池技術不斷進步，手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品采用的電池逐漸轉(zhuǎn)向鋰電池，但在需要瞬時大放電領域，例如醫(yī)療設備、應急設備、電動工具等行業(yè)中，鎳氫電池仍優(yōu)于鋰離子電池，未來鎳氫電池在這些產(chǎn)品中仍將保持較高的應用份額[13]。綜合上述分析認為，2035年鎳氫電池領域?qū)α蛩徭囆枨髮⒈?020年增長613%，需求量約達57萬t。

2.3 電鍍行業(yè)鎳需求總體保持穩(wěn)定

2020年全球電鍍領域硫酸鎳表觀消費量達到18萬t左右，用量較小。電鍍在高端領域可以用于航空航天、電子、能源、核工業(yè)等領域，在低端消費中用于五金、汽車配件、文具等產(chǎn)品，未來低端消費領域的需求量不會出現(xiàn)明顯的增幅，主要增長點在高端電鍍領域，因此，預計未來電鍍行業(yè)的硫酸鎳需求量年均增速為1%～2%[3]，到2035年全球電鍍行業(yè)的硫酸鎳需求量將達到21萬～23萬t。

綜合以上分析：參考情景下，2035年全球硫酸鎳需求量將由當前的64萬t增長至367萬t，增長了473%，三元電池領域消費量由2020年的38萬t增長至2035年的289萬t，消費占比也由59%增長至79%；電鍍、鎳氫電池行業(yè)發(fā)展較為平穩(wěn)，消費占比分別達到6%、15%；高鎳情景下，2035年全球硫酸鎳需求量將增長至579萬t，增長了804%；低鎳情景下，2035年全球硫酸鎳需求量將增長至212萬t，增長了231%(圖2)。

圖2 2016—2035年全球硫酸鎳需求預測Fig.2 Consumption of nickel sulfate in globalfrom 2016 to 2035(資料來源：歷史數(shù)據(jù)引自北京安泰科信息股份有限公司。)

3 全球硫酸鎳供應情況

3.1 全球硫酸鎳生產(chǎn)主要集中在中國、日本等少數(shù)國家

2013年以前，全球硫酸鎳的產(chǎn)量相對穩(wěn)定，保持在20萬t左右；隨著2014年之后新能源汽車產(chǎn)量大幅增長，硫酸鎳產(chǎn)量持續(xù)攀升，2020年全球生產(chǎn)硫酸鎳88萬t左右，產(chǎn)量主要集中在中國、日本、韓國、中國臺灣、歐洲等國家和地區(qū)，其中，中國硫酸鎳產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的一半以上(圖3)，其他地區(qū)的產(chǎn)量較為穩(wěn)定。

圖3 2015—2020年全球硫酸鎳產(chǎn)量Fig.3 Production of nickel sulfate in globalfrom 2015 to 2020(資料來源：麥肯錫咨詢公司。)

3.2 紅土鎳礦生產(chǎn)硫酸鎳將逐步成為供應主流，印度尼西亞等相關資源國鎳投資將受到高度關注

目前通過鎳礦生產(chǎn)硫酸鎳的方式主要有4種：①通過硫化鎳礦火法冶煉生產(chǎn)高冰鎳生產(chǎn)硫酸鎳；②硫化鎳礦火法冶煉生產(chǎn)電解鎳后酸溶生產(chǎn)硫酸鎳；③通過紅土鎳型礦濕法冶煉鎳中間品生產(chǎn)硫酸鎳；④紅土型鎳礦火法冶煉鎳鐵生產(chǎn)高冰鎳進一步加工成硫酸鎳[1](圖4)。

圖4 硫酸鎳產(chǎn)業(yè)鏈Fig.4 Industry chain of nickel sulfate

近年來，硫酸鎳的生產(chǎn)主要采用高冰鎳(此處主要指通過硫化鎳礦生產(chǎn)得到的高冰鎳)、鎳中間品和電解鎳等原料，高冰鎳的使用比例從2013年的24%下降至2020年的17%，同期，鎳中間品的比例不斷提高，由2013年的26%增長至2020年的38%，鎳中間品逐漸成為生產(chǎn)硫酸鎳不可或缺的原料(圖5)。

圖5 2013—2020年硫酸鎳的原料占比Fig.5 Proportion of raw material of nickel sulfatefrom 2013 to 2020(資料來源：北京安泰科信息股份有限公司。)

1) 硫化鎳礦火法冶煉硫酸鎳。硫化鎳礦在硫酸鎳原料中的占比不斷下降，從2013年的49%下降至2020年的38%。采用硫化鎳生產(chǎn)硫酸鎳的項目主要集中在加拿大、俄羅斯、中國等硫化鎳礦相對豐富的國家(表4)，主要供應企業(yè)大部分來自諾里爾斯克鎳業(yè)(Norilsk)、淡水河谷(Vale)、必和必拓(BHP)、金川集團、嘉能可(Glencore)等。相比于紅土鎳礦，全球硫化鎳的儲量僅占40%[14-17]，且基本都是20世紀之前發(fā)現(xiàn)的，根據(jù)標普(S&P Global Market Intelligence)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近30年來新發(fā)現(xiàn)的硫化鎳儲量181萬t，僅占同期新發(fā)現(xiàn)鎳礦儲量的18%，2012年以后沒有新發(fā)現(xiàn)的硫化鎳資源[18]，因此，若未來仍然沒有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模硫化鎳礦，采用硫化鎳礦生產(chǎn)硫酸鎳的產(chǎn)量或?qū)⒅鸩较陆怠?/p>

表4 全球主要硫化鎳生產(chǎn)硫酸鎳項目Table 4 Major nickel sulfide production nickelsulfate projects in global

2) 紅土型鎳礦濕法冶煉生產(chǎn)硫酸鎳。在硫酸鎳的生產(chǎn)原料中，濕法冶煉鎳中間品(HPAL)占比不斷上升，從2013年占比26%增長至2020年的38%。全球鎳中間品生產(chǎn)主要集中在印度尼西亞、菲律賓、巴布亞新幾內(nèi)亞、古巴、土耳其、澳大利亞、新喀里多尼亞和芬蘭等地(表5)。其中，印度尼西亞是全球鎳中間品第一大生產(chǎn)國，2020年產(chǎn)量7.2萬t。印度尼西亞紅土型鎳礦資源豐富，儲量占全球近1/3[16]，根據(jù)各公司年報和生產(chǎn)計劃，2021—2022年印度尼西亞將會有更多項目投產(chǎn)，產(chǎn)量將會增長至20萬t左右。由于鎳鐵產(chǎn)品附加值比硫酸鎳低，印度尼西亞能源和礦產(chǎn)資源部提出將鼓勵企業(yè)在當?shù)厣a(chǎn)附加值更高的硫酸鎳產(chǎn)品。若未來相應利好政策落地，在當?shù)赝顿Y硫酸鎳項目將進一步增加。菲律賓是全球鎳中間品的第二大生產(chǎn)國，2020年產(chǎn)量為4.97萬t左右，其產(chǎn)量主要來自日本住友公司在當?shù)豑aganito和Coral Bay的兩個HPAL項目。巴布亞新幾內(nèi)亞是全球鎳中間品第三大生產(chǎn)國，其產(chǎn)量主要來源于中冶瑞木項目，2020年產(chǎn)量為3.37萬t，生產(chǎn)較為穩(wěn)定。

表5 全球主要國家鎳中間品產(chǎn)量Table 5 Nickel intermediate production in major countries

3) 紅土型鎳礦火法冶煉生產(chǎn)硫酸鎳。紅土鎳還可采用火法冶煉工藝生產(chǎn)鎳鐵，再由鎳鐵進行硫化生產(chǎn)高冰鎳，由高冰鎳進一步生產(chǎn)硫酸鎳。全球紅土鎳礦火法冶煉生產(chǎn)硫酸鎳項目主要集中在印度尼西亞(表6)，其中淡水河谷(Vale)的Sorowako項目生產(chǎn)路徑是在火法冶煉過程中先得到低冰鎳，再加工成高冰鎳，冶煉過程不產(chǎn)生鎳鐵；華友高冰鎳項目及友山鎳業(yè)印度尼西亞項目則是采用紅土鎳礦-鎳鐵-高冰鎳-硫酸鎳的生產(chǎn)方式。

表6 全球紅土型鎳礦生產(chǎn)高冰鎳項目Table 6 Nickel matte production projects from lateritenickel mines in global

由于采用紅土鎳礦火法冶煉硫酸鎳投產(chǎn)項目較少，因此本文進一步對這種方式的可行性進行分析。首先，采用紅土鎳礦生產(chǎn)高冰鎳具有很大的靈活性，可根據(jù)市場的需求情況轉(zhuǎn)變生產(chǎn)產(chǎn)品。當硫酸鎳及下游需求旺盛時，可以延長現(xiàn)有鎳鐵產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)高冰鎳；當不銹鋼(鎳鐵的主要下游產(chǎn)品)需求旺盛時，則繼續(xù)生產(chǎn)鎳鐵。在當下硫酸鎳供需逐漸緊張的形勢下，高冰鎳作為連通鎳鐵和硫酸鎳兩大市場的產(chǎn)品，能夠協(xié)調(diào)兩大市場供需，通過改造產(chǎn)線使鎳鐵的過剩產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到硫酸鎳市場，緩解硫酸鎳供應緊缺狀況。其次，鎳鐵與硫酸鎳之間的利潤差價決定了再生產(chǎn)高冰鎳的動力是否充分。 以目前的項目成本及銷售價格來看，鎳鐵加工成硫酸鎳利潤為3萬～5萬元，而直接銷售鎳鐵的利潤為2.5萬～3.5萬元[16]，在這種情況下加工成硫酸鎳是更有前景的生產(chǎn)方式。根據(jù)這種方式計算，硫酸鎳的價格至少要高于2.53萬元/t才能夠有生產(chǎn)的動力，以我國為例，近幾年的硫酸鎳價格基本在2.5萬～4萬元/t之間，因此，盡管鎳鐵生產(chǎn)高冰鎳的投資項目較少，但在硫酸鎳價格持續(xù)走高的前提下，高冰鎳項目的投資率或?qū)⒉粩嗌遊19]。

4) 硫酸鎳不同生產(chǎn)方式成本對比分析。對于不同生產(chǎn)方式的硫酸鎳，原料生產(chǎn)成本是衡量各生產(chǎn)路徑是否可行的重要方面。根據(jù)生產(chǎn)項目的成本及各公司公告測算，硫酸鎳兩個重要原料來源鎳中間品和金屬鎳之間的成本差價在2 120元/t左右(圖6)，同時，紅土型鎳礦的兩種生產(chǎn)方式中，濕法冶煉的生產(chǎn)成本在20 500元/t左右，而高冰鎳的成本則在22 000元/t左右，相對來說，采用濕法冶煉更加經(jīng)濟，這也為未來濕法冶煉提供更加廣闊的發(fā)展空間。除此之外，鎳廢料的成本為21 230元/t，但市場上采用鎳廢料再生產(chǎn)尚未規(guī)模化，后續(xù)可能有下降空間[19]。

圖6 不同原料生產(chǎn)硫酸鎳的成本Fig.6 Cost of producing nickel sulfate withdifferent raw materials(資料來源：北京安泰科信息股份有限公司。)

因此，通過不同角度對比上述三種硫酸鎳的生產(chǎn)方式，對于傳統(tǒng)的硫化鎳原料而言，未來在沒有新礦床被發(fā)現(xiàn)的前提下，硫化鎳原料日漸緊張，硫化鎳生產(chǎn)硫酸鎳的比例將會不斷下降；紅土型鎳礦火法冶煉鎳鐵再生產(chǎn)高冰鎳形式靈活，但是工藝及技術仍不成熟，投資項目較少，短期內(nèi)很難成為硫酸鎳供應的主要方式；而紅土型鎳礦濕法冶鎳中間品的項目投資不斷增加，且具有原料充足、成本較低等優(yōu)勢，與其他方式相比，鎳中間品將會成為未來幾年滿足需求的重要生產(chǎn)路徑。

結(jié)合上文對硫酸鎳需求分析，在參考情景下，2035年全球硫酸鎳需求相比2020年新增303萬t，折合紅土型鎳礦為5 000萬～8 000萬t，將極大地拉動對紅土型鎳礦的開發(fā)。

4 結(jié) 論

1) 全球硫酸鎳需求將快速增長。預計2020—2035年，在參考情景下，全球硫酸鎳需求將由64萬t增長至367萬t，三元電池作為最大的消費部門消費占比由59%飛速增長至79%；電鍍、鎳氫電池領域平穩(wěn)發(fā)展，消費占比由2020年28%、13%變化至6%、15%。

2) 紅土型鎳礦將成為硫酸鎳供應主流。2020年硫酸鎳的原料供應中，紅土型鎳礦生產(chǎn)的鎳中間品是最大來源，占比38%；硫化鎳在硫酸鎳的生產(chǎn)中以高冰鎳和電解鎳形式出現(xiàn)，合計占比38%。隨著濕法冶煉技術的成熟，未來幾年內(nèi)，鎳中間品將會成為硫酸鎳生產(chǎn)的主要貢獻力量，同時由鎳鐵轉(zhuǎn)化的高冰鎳在硫酸鎳中的使用量也會持續(xù)增長。

3) 2020年，全球硫酸鎳產(chǎn)量為88萬t，其中中國產(chǎn)量最高，占一半以上。近年來印度尼西亞加速開發(fā)紅土鎳生產(chǎn)硫酸鎳產(chǎn)業(yè)鏈，或?qū)⒊蔀槿蛄蛩徭嚬淖钪匾鲩L來源。

4) 隨著我國新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國硫酸鎳需求進入爆發(fā)式增長期，紅土型鎳礦生產(chǎn)電池級硫酸鎳已證明可行。在這種情況下，建議國內(nèi)相關企業(yè)加速開展海外紅土型鎳礦-硫酸鎳生產(chǎn)線投資，搶占市場先機。