中國網/中國發展門戶網訊 關鍵金屬是指對低碳能源、信息通信、航空航天、軍事科技等戰略性新興產業具有重要作用但面臨較大供應風險的金屬，其具體對象可能因國家、行業、時間、技術等因素發生變化，但主要包括稀有、稀土、稀散和稀貴金屬。在產業鏈的不同環節，關鍵金屬表現為不同形態，包括礦產資源、金屬單質與化合物、金屬功能材料及各種終端產品。關鍵金屬供應風險的產生原因是多方面的，包括資源稟賦不足、產能不夠、地緣沖突、產業環境管制、運輸限制及技術與裝備的落后和缺乏等。

近年來，世界銀行、歐盟委員會、美國能源部、國際能源署等機構發布的報告都指出，關鍵金屬既是支撐碳中和的關鍵物質基礎，也是影響碳中和目標實現的潛在資源約束。國際能源署發布的《關鍵礦物在清潔能源轉型中的作用》報告指出：稀土、鋰、鈷、鎳等戰略性關鍵金屬存在的儲量不夠、產能不足、供需失衡和貿易鏈中斷等風險，將約束風電、光伏、氫能、電動汽車等低碳技術的發展，進而影響碳中和目標的順利實現。《自然》（Nature）和《科學》（Science）等學術雜志也將“關鍵金屬礦產能否支撐能源系統的低碳轉型”視為威脅全球可持續發展的重大挑戰。

本文試圖厘清關鍵金屬對能源低碳技術的支撐作用，辨識“雙碳”目標驅動下我國關鍵金屬的供應風險，并在此基礎上探討關鍵金屬與低碳能源的協同管理對策，為構建我國關鍵金屬的安全保障對策提供決策依據。

 關鍵金屬是支撐“雙碳”目標必不可少的物質基礎

低碳技術所需的關鍵金屬具有種類多、強度大、用途廣、性能高且替代難的特點

低碳技術發展需要大量稀土金屬（鐠、釹、鏑、鋱、鈰）、稀有金屬（鋰、銣、銫、鈹、鈮、鉭）、稀散金屬（鎵、鍺、銦、碲）和稀貴金屬（鈷、鉑、銥、銠、金、銀），以及多種一般有色金屬（銅、鋁、錫、鉬、鎢、鎳）、黑色金屬（錳、鉻）和放射性元素（鈾、釷）作為物質支撐（圖1）。總體上，低碳技術部門的金屬使用具有5個特征。

種類多。世界銀行《氣候行動的礦產依賴》報告指出，風力發電需要使用銅、鋁和稀土等10余種金屬，太陽能發電須使用鎵、鍺、銦等15種金屬，電動車則高度依賴鋰、鈷、鎳、稀土和鉑族等12類金屬。

強度大。低碳能源技術每單位發電能力的金屬使用量（金屬強度）高。國際能源署發布的報告《關鍵礦物在清潔能源轉型中的作用》指出，海上風機每單位發電能力的金屬需求量是傳統火電廠的7—13倍；而隨著能源系統對可再生能源依賴的提升，2010—2020年期間每單位發電量所需的關鍵金屬礦物量增加了50%；另外，純電動車單車的金屬需求量（不含鋼鐵）是傳統燃油車的6—7倍。

用途廣。每一類金屬均用于多種低碳技術，如釩、鉻、鉬、鈮在核能、風電和聚光太陽能技術中均不可缺少，鈀、鉛、銀、鎳在風力發電機、光伏電池板和新能源汽車中都起著重要作用。

性能高。某種關鍵金屬可能因為耐熱、難熔、耐腐蝕，以及優良的光、電、磁等性能中的某一個或多個，而對低碳技術的開發和應用具有重要作用。例如，添加稀土元素釹和鏑的永磁電機具有功率密度和效率高、脈動轉矩小和弱磁調速范圍寬的特點，用在電動車中平均可比傳統電機節能約20%。

替代難。前述4個特性使得每一種金屬盡管在某一類或幾類應用中可以被替代，但卻很難在所有用途中被全方位替代。Graedel等指出，目前常用的62種金屬元素在各自關鍵應用領域的可替代性極為有限，一旦出現資源短缺，相關技術和產業的發展將面臨重大風險。

在“雙碳”目標的帶動下，我國關鍵金屬的需求量將持續快速增長

我國是多種關鍵金屬礦產的主要消費國。2020年，我國有36種金屬消費量居世界首位，2種居世界第二位，6種居世界第3—5位，并有22種金屬的全球消費占比超過50%。據相關研究預測，為支撐“雙碳”目標的實現，2020—2040年，我國能源部門（包括風電、光伏、氫能、儲能等技術）對鋰、鉻、錳、鈷、鎳、鎵、鈮、銦、銅、鉑、稀土等20類關鍵金屬的需求量將增長8.6倍，從59萬噸增加到510萬噸。其中，鈷的年需求量將增長25倍；鋰的年需求量將增長18倍；鎳的年需求量將增長11倍；鏑的年需求量將增長14倍；釹的年需求量將增長11倍。為滿足國內低碳轉型的需求，我國國內的鉻、錳、鉑、鎳、碲資源儲量的保障年限不到10年，銅、鏑、銦、銀等不到20年，鋰、鈷、錫等不到30年（圖2）。如果將建筑、通信等其他非能源部門的需求計算在內，供需缺口將進一步擴大。此外，我國還通過終端產品的出口承接了國際市場通過貿易傳導的大量間接需求。若考慮這一因素，我國關鍵金屬的需求量和供需缺口將進一步擴大。

從全生命周期視角看，降低開采冶煉環節的生態環境影響和提升金屬的循環利用水平對實現“雙碳”目標具有重要作用

降低開采冶煉環節的生態環境影響。能源系統能否真正實現低碳發展，很大程度上取決于關鍵金屬生產的碳排放及清潔發展水平。研究顯示，新能源汽車的碳排放雖然較燃油車低，但其動力電池生產環節（特別是鋰、鈷、鎳等金屬的開采冶煉過程）的碳排放就占新能源汽車全生命周期碳排放的70%，極大地降低了新能源技術的碳收益。除了碳排放，關鍵金屬的生產還會引發其他環境危害。例如，光伏材料的制造會產生四氯化硅、氯化氫、氮氧化物、硝酸鹽等多類有害物質，可能危及生態系統與居民健康。同時，電動車、光伏等低碳產品的大規模退役將會產生“新能源廢棄物”，且具有規模大、分布廣、隱蔽性強、組分復雜、生態環境危害嚴重等特點。

提升金屬的循環利用水平。廢舊風機、太陽能板和電動車中蘊藏著大量的可再生金屬資源。從這些新能源廢棄物中提取金屬，可以減少資源浪費，也可以解決環境污染的問題，帶來多重生態環境收益。以光伏為例，其廢棄物中蘊含鋁、硅、銀、銅、銦、鎵等金屬，其中90%以上材料都可以回收再利用。若全量回收，相關研究預計，到2025年，累計可從廢棄光伏組件中得到360萬噸鋁（價值約460億元）、76萬噸硅（價值約2200億元）、0.09萬噸銀（價值約37億元）、0.04萬噸碲（價值約2億元）、0.04萬噸鎵（價值約12億元）和0.02萬噸銦（價值約60億元），總收益高達數千億元，可有效緩解稀散及稀貴金屬的供應風險，并大幅降低礦產開采引發的生態環境風險。

我國關鍵金屬產業鏈上中下游均存在較大風險，嚴重威脅“雙碳”目標的實現與國民經濟安全

在產業鏈上游，我國多數關鍵金屬的礦產資源稟賦差、開采難度大、環境污染嚴重、對外依存度高，被“卡脖子”的風險較大。①受技術和開采條件的制約，我國相當部分關鍵金屬（包括鋰、錫、銣、鈹等）的利用率偏低。例如，我國稀土資源雖然豐富，但部分礦種開采利用率僅為10%，造成大量資源浪費。②稀有、稀土和稀散金屬等“三稀”金屬主要以共伴生的形式存在，冶煉分離及綜合利用難度大，經濟收益低，導致企業缺乏綜合利用的技術和經濟激勵，因此對一些金屬的利用不充分。③近幾十年來，我國大規模的資源開發使得部分關鍵金屬礦產的資源品位持續走低，金、銅、鉛、鋅、鋰、鎳等礦種勘查中新發現的礦石品位呈快速下降趨勢，其中易開采、易選冶的富礦找礦難度逐步加大，給勘測、開采及利用帶來重要挑戰。④針對部分優勢礦產，如稀土、鎢、銻、螢石、鍺、鉬等，我國在大量開采的同時，也承擔了高昂的生態環境代價。由于缺乏國際公認的關鍵金屬生產過程的環境影響及其成本評估數據，我國為推動全球能源低碳轉型付出的代價至今未受到國際重視。⑤我國進口依存度超過50%的金屬多達12種（鈮、鉻、鈷、鎳、錳、鉑族、銅、錫、鉭、鋯、鈀、鋰），其中超過90%的有6種（鎳、鉑族、鉭、鉻、鈷、鋯），同時進口來源高度集中。例如，我國75%的鈷來自剛果（金），68%的銅來自智利，60%的鎳來自菲律賓（圖3）。如果這些供應國發生生產停滯、政治局勢動蕩或運輸通道阻塞等危機，就會威脅我國關鍵金屬的供應安全。

在產業鏈中游，我國多數關鍵金屬的冶煉分離產能世界第一，但存在集中度低、產能布局分散、定價權缺失等問題。據美國地質調查局統計，我國關鍵金屬冶煉分離產能具有顯著優勢。2018年，全球近96%的鎵、90%的稀土、90%的銻、86%的錳、82%的鎢、70%的鎂、68%的鍺、65%的碲、62%的釩、60%的鍺和56%的銦都由我國進行冶煉分離。然而，我國對關鍵金屬的管理重點仍然主要集中在上游原材料產品，缺乏全產業鏈視角下的上、下游協同管理，導致我國很多關鍵金屬資源“出得去，回不來”。同時，在我國的金屬冶煉企業中，規模以下的工業企業占75%以上，這些企業的技術水平良莠不齊，同時存在濫采亂挖、產品同質化、彼此惡性競爭等問題，不但無法發揮我國作為關鍵金屬冶煉分離大國的戰略優勢，還導致國外礦業寡頭利用定價權優勢提升資源產品價格，擠壓我國金屬產業鏈中游企業的利潤空間。

在產業鏈下游，我國金屬功能材料及其制造裝備的研發能力和應用水平仍顯著落后于西方國家。以稀土為例，據中國稀土學會《稀土功能材料關鍵技術核心專利情況分析及對我國產業發展的影響》報告顯示，截至2020年底，獲相關專利最多的10家公司中，中國企業僅有3家：中國石油化工集團有限公司、中科三環高技術股份有限公司、京磁材料科技股份有限公司；德國企業1家：巴斯夫股份公司；而日本企業則有6家：日立株式會社、豐田汽車公司、東京電氣化學工業株式會社TDK、日本住友集團、東京芝浦電氣株式會社、三菱電機株式會社。并且我國企業的專利多是國內專利，平均專利轉化次數遠少于日本企業。同時，我國在航空、航天、深海、遠洋裝備所用的高溫合金、鋁鋰合金、特種合金等金屬材料的研發和應用方面嚴重受制于人，如美國鋁業掌握了飛機金屬材料專利的80%，使我國時刻面臨被“卡脖子”的風險。同時，我國對與優勢關鍵礦產相關的高端材料及部件的研制投入不足，部分下游加工制造企業缺乏技術研發創新意識，優勢關鍵礦產資源在與低碳相關的制造領域的應用滯后。此外，我國關鍵金屬下游產業的發展易受國際市場上游原材料價格波動的影響。國際能源署的《關鍵礦產資源在清潔能源轉型中的作用》報告顯示，國際金屬價格上漲會向中國等清潔能源生產與應用大國轉嫁風險，增加能源低碳轉型的成本。總體上，我國企業在關鍵金屬的全球產業鏈中處于不利地位，未能占據主導地位。

發達國家高度重視關鍵金屬產業鏈安全，視我國為重要的競爭對手，并正組建“去中國化”的關鍵金屬產業和科技聯盟。近年來，美國依托艾米斯國家實驗室成立了關鍵材料研究所、歐盟組建了原材料創新與技術研究院，定期發布關鍵金屬清單，并突出強調鋰、鈷、鎳、稀土、鉑族、鎵等金屬的重要性。早在2016年，美國地質調查局的專家就提出：中美兩國的鈮、鉭、鈦、鋰等11種關鍵金屬的進口依存度都超過50%，因此將在南美、非洲等地區展開對這些金屬的激烈爭奪。同時，西方國家將中國視為最大的競爭對手和重點防范對象，并加緊在中國之外的國家和地區進行關鍵礦產的勘探與開采，試圖構建針對中國的關鍵礦產資源聯盟，實現關鍵礦產和關鍵金屬供應的“去中國化”。例如，美國國務院2019年發布了“能源治理倡議”，聯合澳大利亞等9個國家構建資源聯盟，意圖提升對全球稀土等關鍵資源的控制力；近年來美、歐、日圍繞關鍵金屬形成了“三邊委員會”，定期進行磋商研討，在諸如稀土貿易爭端等事件中形成針對中國的同盟。在此背景下，我國在全球關鍵礦產供應中所占的比例正迅速下降，以我國的優勢礦產稀土為例，2010—2020年，國外稀土礦產產量的全球占比由2%快速提升到48%，澳大利亞、美國、緬甸、馬來西亞等國現已成為稀土資源的重要供應國。

對策建議

提升系統認識，把關鍵金屬資源安全與能源安全戰略進行統籌謀劃，推進關鍵金屬與低碳能源的協同管理。關鍵金屬的安全供應和高效利用，不僅是資源安全問題，更關乎中國的能源安全、產業安全、科技安全和國防安全。為此，我們應充分認識關鍵金屬在能源系統低碳轉型中的重要作用，將關鍵金屬問題上升到國家戰略高度，由國家有關部委牽頭，前瞻性、全局性地開展關鍵金屬全產業鏈的風險識別、監測和防控工作，并積極推動建設有中國特色的關鍵金屬資源保護性開發管理體系、戰略儲備體系、貿易管制及安全審查體系。

加強基于大數據的供應風險識別與宏觀戰略研究，提升風險預警和安全保障能力。設立國家級關鍵金屬大數據與戰略研究中心，利用大數據技術匯集和挖掘全球關鍵金屬全產業鏈的儲量、產能、產量、貿易、專利、價格、供給、需求等全方位多角度數據，實時、快速、準確地研判各類關鍵金屬的全產業鏈供應風險及其成因，定期發布關鍵金屬清單，及早進行超前的全局謀劃，建立和完善關鍵金屬資源儲備體系，提升風險預警和安全保障能力。

面向“雙碳”目標需求，依靠科技創新，大力促進關鍵金屬全產業鏈的自主可控與高質量發展。在產業鏈上游，加大稀缺礦產資源的勘查力度、提升共伴生金屬資源和城市礦產資源的高效、綠色回收水平；在產業鏈中游，打造和培育龍頭企業，提升產業鏈影響力；在產業鏈下游，加強面向“雙碳”目標的新產品和新技術研發，加緊開發高風險金屬材料的替代和減量化技術，提升高端功能材料的制備能力；組建若干國家級關鍵金屬材料研發機構，設立與加強相關科技專項，深入開展關鍵金屬材料基礎研究，引導和支持企業開展技術攻關，形成與“雙碳”目標相適應的關鍵金屬供給和技術研發能力，實現全產業鏈上、中、下游的高質量協同發展。

統籌國內、國外兩個市場，鼓勵關鍵金屬全產業鏈上中下游相關企業“走出去”。在復雜的國際地緣政治和新冠肺炎疫情引發的新國際格局下，以“立足國內、利用境外”作為保障我國關鍵金屬資源安全的基本戰略，培育在世界范圍內具有資源控制力、市場影響力、技術引導力的龍頭企業：支持我國礦冶龍頭企業提升對“卡脖子”風險大、對外依存度高的金屬礦產資源的全球掌控力；同時支持金屬資源相關企業加大科技投入，開展全產業鏈整合，提升我國關鍵金屬的國際定價權和產業影響力。

以關鍵金屬的綠色開采和冶煉技術為抓手，突破生態環境約束，打造中國關鍵金屬的綠色低碳牌。大力開發關鍵礦產的綠色開采和分離冶煉技術，推動中國關鍵金屬產業綠色轉型；以國際科學界認可的語言介紹中國的綠色開采和冶煉技術，建立以我為主并逐步實現國際互認的關鍵金屬產品的碳足跡與綠色認證體系，闡明我國通過提供關鍵金屬及與其相關的低碳技術和裝備為實現全球碳中和作出的貢獻，講好“中國故事”，提升國際綠色話語權。

依托“一帶一路”，構建人類命運共同體下全球“關鍵金屬與低碳能源”協同治理的新秩序。深化與“一帶一路”沿線國家和廣大發展中國家在資源勘探、冶煉技術研發、產能發展和轉移、固廢資源循環利用方面的合作，建立面向全球多層次、多渠道的關鍵金屬資源配置保障體系；發起諸如全球“金屬資源與可持續發展”或“金屬資源與碳中和”等大科學計劃和工程，推動我國清潔低碳技術和裝備在全球各國的應用，幫助發展中國家提高應對氣候變化的能力；創建“一帶一路”能源礦業部長聯席會議制度，秉持人類命運共同體理念，積極推動礦業治理規則體系變革，為全球關鍵金屬礦業治理提供中國方案。

（作者：陳偉強，中國科學院城市環境研究所、中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心、中國科學院大學；汪鵬，中國科學院城市環境研究所、中國科學院贛江創新研究院、中國科學院大學；鐘維瓊，中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心、中國地質科學院礦產資源研究所。《中國科學院院刊》供稿）

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