地下埋藏的矿物，可能决定了明天的温度

今年夏天，你在的城市热吗？

2025年夏季我国省区市平均气温（图片来源：中国天气）

据国家气候中心消息，今年6至8月，我国大部热力十足，全国平均气温达22.31℃，为有观测记录以来最热夏季。其中新疆、陕西、河南、山西、山东平均气温为同期第一高，江苏、浙江、河北、上海、四川、湖北、安徽为第二高，湖南、吉林、辽宁、黑龙江第三高。

可以说，许多人已经切身感受到了全球变暖的威力。这种趋势，很可能只是开始。

2025年六月，全球绝大部分区域的温度都比1951-1980年之间的平均值要高上不少（图片来源：BerkeleyEarth.org）

世界气象组织（WMO）发布的《全球年度至十年气候最新通报》指出，2025年至2029年，全球平均温度将“居高不下”，有80%概率将出现有记录以来“最暖年份”，即这五年中至少有一年的全球平均温度将超过2024年刚创下的纪录，2025年很有可能是有记录以来三个最暖的年份之一。

为了应对全球气候变暖，减少对化石能源的依赖、减少碳排放当然是重要举措（如果还有人不认同碳排放是目前全球变暖主要原因的观点，请先看这篇）。在这样的背景下，太阳能、风能、水能、核能、生物质能、地热能、海洋能等生产和使用过程中不产生或极少产生污染物和温室气体（如二氧化碳）的清洁能源得到了更多利用。

在能源转型的过程中，山脊上连绵的白色风机、荒地和山坡上一望无际的光伏板以及城市街道上的电动车可能是最让人熟悉的。很多人会认为，只要我们能够利用好这些新能源，地球的减碳目标就触手可及。

不过，很多人不知道的是：支撑这些低碳技术运转的，不只是风、光和水，还有矿物。

无论是风力发电机、水力发电机还是光伏板，制造它们都需要种类繁多的矿物，而随着能源转型的加速，对这些矿物的需求量也以极快的速度增加，很多科学家担心，这些矿物中的一部分可能在转型完成前就面临供应瓶颈。

什么是关键矿物

关键矿物是对一个国家的经济、国家安全、能源转型或高科技产业至关重要，但同时其供应链又容易受到中断风险影响的非燃料类矿物。由于不同国家的矿物储量不同，因此不同国家的关键矿物清单各不一致。大致上，我们日常生活中被广泛使用的各类矿物均被包含在内。

比如，很多人购车会首选新能源汽车。要造出它，需要的矿物有哪些？首先需要大量的铁和铝，它们构成了汽车的框架、电池和电机的主体部分；其次是硅，硅不仅用作汽车玻璃，还是汽车电路板的主要成分之一；然后是铜和银，它们是电路板、电缆、电极的主要成分；然后是锂——它是锂电池的主要成分，但除此之外，锂电池还需要使用钴、镍、锰、磷、铁、碳等诸多矿物；再然后是少量的稀土元素，比如钕、镝——它们是目前电动机中永磁体的关键成分。

与新能源汽车一样，风力、水力发电机，光伏板等也都需要使用种类众多的矿物元素。而几乎每一种矿物——无论是我们最常见的铁、铜、铝、锡、碳、硅，还是我们比较陌生的众多稀土元素，它们都有“断供”的风险。只要有这种风险，它们就是关键矿物。不过由于每个国家的矿产资源禀赋和供应链都不同，所以每个国家的关键矿物清单各不一致。

现在在许多地方，高耸的风力发电机已经成为了山顶的风景线，但它们制造与运行需要多种矿物的支持（图片来源：作者）

最新研究：这些关键矿物短缺风险最高

但由于在能源转型的过程中，新能源有关的设备所需矿物大致相似，所以与新能源有关的关键矿物都会面临普遍的短缺风险。比如，根据国际能源署的预测，到2040年，光伏产业可能让铜的需求增加近百倍，镍增加近90倍，而电动车和储能电池则会让锂的需求翻40倍^[1]。

这就引出了一个迫切的问题：我们有足够的矿物来支撑这场史无前例的能源革命吗？

为了回答这个问题，一个中国科学家团队进行了一项开创性研究，他们分析了联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第六次评估报告。这份报告描绘了数百种不同的未来气候的可能性（科学家称之为路径）——你可以把它想象成地球为实现不同温控目标（如升温不超过1.5°C或2°C）而选择的剧本。每个剧本都有不同的减排时间表和技术路线。^[2]

研究团队将这些路径与40种关键矿物和17类低碳能源技术一一匹配，计算出到2100年所需的总矿物量，然后与地球上已探明的经济可开采储量进行了对比。结果令人担忧：（1）几乎所有路径都将面临矿物短缺。 在所有减排情景下，都会有1到12种关键矿物出现供应不足。（2）温控目标越激进，短缺风险越高。 在将升温控制在2°C的路径中，平均会有5种矿物短缺；而要是想要将地球升温控制在1.5°C，则会有7种矿物出现短缺。

研究还指出了风险最高的几种矿物：铟、镉、碲、锡，这些矿物均与光伏产业紧密相关。其中铟、镉、碲是新一代薄膜光伏电池的重要材料，比如碲化镉电池和铜铟镓硒电池。这类电池光电转换效率高，轻便，而且可以做成柔性面板，因此可能在未来得到快速推广。而锡则广泛用于太阳能电池的焊接材料和电路连接，同时在储能和核能技术中也有应用。

随着光伏产业的快速扩张，这些金属的消耗量将会大大增加。

如果按照1.5°C或2°C的温控路径进行计算，铟可能在2035年出现全球短缺，镉在2060年，铱在2065年，锡在2085年，碲在2100年。这意味着在未来十年内，部分新能源核心原料就可能出现全球性短缺。即便我们假设未来能将所有已探明储量都开采出来，仍有多达11种矿物将在本世纪末面临短缺。

使用铜铟镓硒电池制作的新一代薄膜电池，相比于传统晶体硅电池，薄膜电池轻、薄、可折叠，转换效率高，因此具备良好前景（图片来源：Wikipedia）

矿物不够？多挖点不就行了？

从直觉上看，缺矿似乎是因为储量不够或挖的不够。但其实这不是“多挖一点矿”或“多找一点矿”就能解决的简单问题，其背后是需求、供给、技术和回收等多方面共同作用的结果。

新能源车、储能电池、光伏、风电等技术，都依赖同一批矿物。目前，这些矿物的需求量成倍上涨。在某些情景的模拟中，到本世纪中叶，一些矿物的需求量就可能超过目前全球的已探明储量。我们上文提到的铟和镉就是最典型的例子。

矿物的开采不像工业品，可以随时开一条生产线就增加产量。从探勘到投产，一个矿山平均需要15年以上的时间——毕竟很多矿床位于交通不便的深山中，需要首先修建道路和厂房，有些还需要往下深挖几十、数百米才能抵达矿层——因此当需求在几年内猛增，矿业往往来不及响应。

部分矿物的供应高度集中于少数国家，例如全球70%以上的钴产自刚果（金），锂资源则主要集中在澳大利亚、智利和阿根廷。矿物地理分布的不均匀，某些区域经济发展程度低导致的开采效率低下也极大影响了矿物的供应。

理论上，从报废的设备中可以回收到大量关键矿物。但实际情况是，许多矿物的回收技术还不完善，不仅工艺复杂，能耗高，而且回收率低，污染严重。以锂电池为例，尽管中国的科学家们正在努力开发新技术，但据《中国能源报》2025年2月10日的报道，截至2023年，我国新能源汽车的规范化回收率依然不足25%。即便未来回收技术成熟且普及，计算结果也显示，许多矿物的缺口仍无法完全弥补

许多关键矿物的应用高度集中在新能源技术中，比如铟、镉、碲主要用在薄膜光伏；钴和镍大量用于高性能锂电池。如果全球同时大规模推广这些技术，对相应矿物的依赖会急剧上升。除非开发不使用这些矿物的替代技术，否则关键矿物短缺的风险会集中爆发。

中国缺不缺矿？缺哪些？

当我们谈论全球矿物短缺时，很多人心里自然会冒出一个问题：中国够不够用？毕竟，中国是新能源产业的大国，既是电动车和光伏的最大生产者，也是这些矿物的最大消费国之一。

从资源禀赋上看，中国确实手里有几张王牌。比如稀土资源储量丰富，这让我们在风机、电动车电机等产业链上具有明显优势；石墨和钨的储量也位居世界前列，在电池和硬质合金领域长期占据主导地位。但研究显示，在全球减排的不同路径下，中国依然会面临一些关键矿物的缺口。特别是铜、铬和铪，已经被列入潜在的高风险清单。

铜几乎存在于所有电气设备中，是电动车电机、输电电缆、风力和水力发电站里最基础的金属。随着新能源装机规模的迅速扩张，中国的铜需求正在不断攀升，而国内高品位矿石储量有限，长期以来都依赖进口。

铬则是不锈钢和高强度合金的必需成分，中国的冶金工业对它的需求极大，但资源主要集中在南非、哈萨克斯坦和印度，我国高品位铬矿资源极度匮乏，仅在西藏、新疆和甘肃等地有规模较小的矿床，几乎完全依赖海外供应。

至于铪，这种知名度并不高的小金属，却是制造核电站堆芯材料、核反应堆控制棒、航空发动机涡轮叶片、火箭推进器、半导体技术等方面有重要应用。但是我国锆-铪资源（锆-铪是共生的，所以经常被算到一起）非常缺乏，储量仅约50万吨，仅占全球储量的0.68%，对外依存度高达90%。^[4]

结语

在2℃目标下，全球不同区域关键矿物的缺乏情况（图片来源：参考文献[3]）

从全球视角来看，中国的情况算不上最坏。欧洲大约有5种矿物存在严重短缺，更可能因为缺锡而拖慢光伏扩张，中东、南亚和非洲则面临同时缺 7 到 9 种矿物的局面。相比之下，中国至少在稀土和石墨等资源上有一定的底气。

真正值得警惕的是，大部分人往往只看到风机、光伏和电动车在不断增加，却容易忽略支撑它们的矿物能不能跟得上。此外，我们还要意识到，虽然风能、水能、太阳能等确实是可再生的清洁能源，但是它们发的每一度电、所使用的各种设备背后都要涉及到矿物的开采、冶炼，设备制造和维护过程，其中的许多过程都是高能耗过程，清洁能源在减少碳排放的同时，也在推动另一种资源消耗。

在减排的路上，我们不仅要关注各种低碳利用能源的技术，还要关注关键矿物的勘探开采技术升级、替代材料研发、回收技术突破，要能够找到、用好、回收好这些矿物。

总而言之，在使用清洁能源、减缓气候变化的道路上，我们还有很长的路要走。

参考文献：

[1] IEA (2021), The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions, Licence: CC BY 4.0

[2] (N.d.) Chapter 3: Mitigation Pathways Compatible with Long-Term Goals. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/chapter/chapter-3/ (2025-08-10)

[3] Wei YM, Liu LC, Kang JN, Zhang Y, Peng S, Liao H, Xu S, Zhao L, Yan H, Qian X, Liang QM, Ji Y, Tian X, Chen W, Li J, Cui H, Dai M, Li X, Wang D, Yu F, Qi J, Yu B (2025) Navigating energy transition solutions for climate targets with minerals constraint. Nature Climate Change, 15(8), 833–841.

[4] 王汝成, 车旭东, 邬斌, 等. 中国铌钽锆铪资源[J]. 科学通报, 2020, 65(33): 3763-3777.