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发布时间:2024-04-16

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金属“铱”行业分析

瑞鹏资产 蒋欣娣

铱是稀有金属,具有熔点高(2454℃)、密度大(22.56g/cm3)、抗腐蚀性强和催化活性高等优良性质,广泛用于合金、医药、化工、电子和电化学等领域,成为各种高科技行业的关键因素。然而,铱在地壳中的储量十分匮乏,年产量极其有限。近两年,质子交换膜(PEM)电解制氢技术的高速发展引发了人们对该技术的必要金属“铱”产生了高度关注,但是业界普遍担忧铱的稀缺性会使供应远不及需求,从而导致铱价格飞涨,极大制约PEM电解槽的扩张。

本文通过分析铱产业链中的资源供给情况和工业需求情况,结合铱的历史价格情况,对铱的未来价格进行预测。

一、铱的产业链介绍

铱金属产业上游端为矿石的开采,后经提炼分离为铂族金属精矿;中游端为纯铱的提炼、铱制品的加工,以及铱废料的回收后再提炼;在下游端,纯铱和铱制品主要应用于化工、电子、电化学领域,涉及汽车行业、燃料电池、电子设备、医疗等多个行业。

图1-1 铱产业链图示

(一)上游——铱的开采

1.铱的自然分布情况

铱是地球上最稀缺的元素之一,其平均地壳含量约为0.003ppb(十亿分之一),常与铂系元素(PGM:铂Pt、钯Pd、锇Os、铱Ir、钌Ru、铑Rh)一起分散于冲积矿床和砂积矿床的各种矿石中。

根据美国地质调查局报告,截至2021年底,全球已探明铂族金属总储量约为7.0万吨,我国已探明铂族金属资源储量仅为87.69吨,不足全球总储量的0.13%。其中,铑、铱、锇、钌属于稀有铂族金属,约占铂、钯的10%,铱在稀有铂族金属中的占比约为16%,推算其在所有铂族金属中的占比约为1.45%。

除目前已探明的矿山以外,地下储藏铱资源较为丰富。根据铂族金属资源储量可以推算出全球铱储量为1000吨左右(推算过程如表1-1所示)。但是,因为铱是铂和钯开采的副产品,所以完全为了铱而开采矿山是不太可能。

表1-1 全球铂族金属储量及铱储量

数据来源:美国地质学会;《铱资源应用现状及市场分析》,张金池等

2.铱的开采

铱通常以铂族金属的形式存在,主要与铂、钯等元素结合形成铂矿石,因此,铱的开采产量取决于铂、钯的产量。开采铂矿石的过程包括地质勘探、开采和选矿等步骤。在开采过程中,铂矿石通常被破碎和磨粉,并通过浮选或磁选等物理方法将铂矿石与其他杂质分离。

目前已勘探到的PGM矿床在地理上集中在南非、俄罗斯、美国、津巴布韦和加拿大五个国家,其中,70%铂、35%钯的开采量在南非,45%钯的开采量在俄罗斯。根据美国地质调查局(USGS)矿产年报,铱的生产集中在南非,占全球市场的85%,2014-2022年产量均值为7.2吨。

数据来源:美国地质调查局(USGS)

(二)中游——铱的提炼与回收

1.铱的提炼

从铂矿石中提取精炼铱通常要在溶液体系中进行,且分离难度比较大。首先一般采用氯铱酸铵反复沉淀法,同时根据原料性质需要结合硫化法、亚硝酸钠配合法、溶剂萃取法、离子交换法等分离铱溶液中的贵贱金属杂质,获得铱络合物溶液((NH4)3IrCl6)。接着将分离出的铱溶液进行进一步的化学处理,将其放在强酸介质中加热氧化为(NH4)2IrCl6,(NH4)3IrCl6和(NH4)2IrCl6在氯化铵溶液中溶解度差异较大,(NH4)2IrCl6溶解度较小形成黑色结晶。最后将纯(NH4)2IrCl6煅烧制得金属铱粉。铱金属可以进一步精炼和加工,制备成铱制品,如铱合金、铱催化剂等。

图1-3 铂族矿石开采及铂族金属提炼过程

资料来源:英美资源集团(Anglo American)2023年综合报告

2.铱的二次回收

铱的储量稀少、价格昂贵。铱在加工或者使用过程中会产生含铱废料,从二次资源中回收铱可以实现资源循环利用,缓解供需矛盾。

含铱废料来源:1)铱金属和铱合金废料。包括废铱坩埚、耐高温涂层材料、汽车发动机火花塞点火电极等,多为被其他元素污染的合金,或者断裂、报废的元器件等。

2)含铱催化剂。近些年来,Ir-Pt、Ir-Rh、Pt-S-nIr、Ir-Sn等复合纳米催化剂被逐渐开发,并用于催化甲酸、乙醇、氨的氧化。催化剂与气流中的杂质发生反应,或者表面积炭遮盖了活性中心使其不能发挥作用,导致催化剂失活,在使用过程和生产过程中产生大量的含铱废料。

3)含铱有机废液。铱有机化合物应用广泛,甲醇羰基化制醋酸的催化剂醋酸铱、化学气相沉积法制作镀层保护材料的乙酰丙酮铱、有机发光二极管(OLED)领域的磷光铱配合物等。铱的有机配合物合成产率不高,在生产过程中会有大量的含铱有机废料[2]。

铱和钌的回收几乎属于闭环回收(即金属通常在同一应用中被重复使用,回收流程见图1-4),工业消费者在整个精炼和再制造过程中保留对金属的所有权,因此在市场中几乎看不到铱的回收。庄信万丰(Johnson Matthey)是世界上最大的次级铂族金属回收商,擅长高效回收和提炼包括铱在内的铂族金属,使其达到高纯度,从而可以实现重复使用。

图1-4 铂族金属闭环回收流程

图片来源:2023年庄信万丰铂族金属市场报告

关于铱资源回收的技术,大型回收商未对此公开,根据现有研究文献整理,主要回收方法有经典沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法等,实验总回收率达到70%-99%(回收技术相关信息如表1-2所示)。但是,考虑到铱废料来源广泛、回收成本较高、回收精炼技术要求高等现实因素,实际回收率并不会很高,未来铱需求的提高将会加强人们对铱废料回收技术的重视。

表1-2 铱二次资源回收技术分析表

资料来源:《铱的资源、应用及回收利用研究进展》,李红梅等

(三)下游——铱的应用

铱的应用领域主要有化工、电子和电化学等。过去10年里,全球铱工业需求量呈现先上升后下降的趋势(如图1-5所示),2016年和2017年达到最高需求量8.5吨/年,其原因为电子行业和电气化学行业对铱的需求量扩大。2020-2022年受新冠疫情的影响,铱工业需求量有所下降;2023年全球铱工业需求量有所回升,为7.4吨/年。

数据来源:庄信万丰(Johnson Matthey)

1.化工领域

2014-2023年,铱在化工领域的需求量维持在0.7-0.9吨,预计近10年基本保持稳定。

1)铱催化剂。铱催化剂是化工领域的重要催化剂,主要用于醋酸合成(甲醇羰基合成法Cativa工艺),还有烯烃氢化、烷基化、烯烃环化、酰胺还原、芳香醛羰基还原等有机反应。其中,Cativa醋酸合成工艺一种通过甲醇羰基化制备乙酸的方法,其以金属铱作主要催化剂(一般是复合物[Ir(CO)2I2]﹣),并可加入一部分铼、钌和锇等作助催化剂,在180℃左右、3MPa(G)下发生生成醋酸。该方法具有反应温和,产品选择性高,体系中含水量低,催化剂稳定性好、寿命长、用量少,副产物丙酸少,综合能耗低,精馏区设备少等优点,成为醋酸制备主流方法。工厂一旦选定工艺进入建设阶段,几乎不可能再切换工艺路线,因此醋酸行业的稳定使得其在很长的一段时期对铱的需求影响有限,铱需求基本保持稳定。

表1-3 2010—2020年全球醋酸生产情况

数据来源:《2020年国内外醋酸供需现状及发展前景分析》,贾亮

2)铱纳米催化剂/铱纳米酶。近年来,开发的铱纳米催化剂可用于制备生物活性分子,如抗癌药物、抗病毒药物等。相比于其它金属纳米材料,铱纳米材料在相同的制备条件下更容易得到尺寸相对较小且稳定性好的纳米颗粒和团簇,使其有更高的催化活性。铱纳米材料还表现出优异的类酶催化性质,目前人们对于铱纳米酶的应用和催化机理研究还处于初期阶段,对金属铱的需求量并不大,随着人们对铱纳米酶认识的不断深化,未来铱纳米酶将在传感、癌症治疗、污染控制、抗氧化作用等多个领域发挥作用[5]。

2.电子领域

在电子领域,铱主要用于制备铱坩埚、合成有机发光二极管(OLED)显示器所用的铱配合物。除此之外,铱合金还用于心脏起搏器、热电偶、电阻器、飞机引擎、指南针轴承和多孔喷丝板中。近10年间,铱在电子领域的需求量呈现先升后降的趋势,2015-2017年对铱的需求量较大,系OLED商业化成熟(例如2017年iPhoneX采用OLED屏幕)对铱的需求量扩大,2018年后铱需求量稳定于1.1-1.5吨/年,随着铱坩埚和有机发光半导体(OLED)的需求发展,预计未来10年对金属铱的需求会有所增长,但考虑到铱坩埚回收技术的提升,金属铱的未来需求增长幅度不会很大。

1)铱坩埚。铱具有非常高的熔点,是所有元素中熔点第二高的,仅次于钨,因此被作为坩埚的原材料。铱坩埚具有出色的耐高温性能,可以在高达2000摄氏度以上的环境中稳定工作,在冶金、陶瓷、玻璃等行业,铱坩埚被用于熔炼、烧结等各种高温处理工艺,除此之外铱坩埚还可以用来加工很多晶体产品,包括应用于5G技术和医美行业等领域。虽然铱坩埚的原材料稀有、制造加工难度高,但是铱坩埚耐用性高、能够回收再利用,且目前已经开始逐步使用其他金属材料替代部分铱,因此预计未来10年对金属铱的需求不会大幅增长,甚至有望降低。

2)有机发光半导体(OLED)。铱在电子领域另一个潜在的市场需求增长点来自有机发光半导体(OLED)技术。发光材料是OLED的关键,其中磷光铱(III)配合物凭借效率高、结构易修饰、颜色可调节等优势,在众多发光材料中脱颖而出,该配合物以金属铱为发光核,通过改变配体的种类和结构即对配体进行修饰以调节发光波长,进而实现调整材料的发光颜色,实现器件的全彩色显示。OLED广泛应用于各种电子产品,如:电视和移动电话显示屏;车载显示屏、仪表盘和车内照明灯;数字广告屏;飞机座舱显示、导航系统和头盔显示器等等。预计用于OLED的铱基磷光材料需求前景广阔,铱需求增加。

3.电化学领域

铱在电化学领域的需求量较为稳定,平均为2.35吨/年,2020-2023年稳定维持在2吨/年。未来10年,随着全球清洁能源的需求规模扩大,PEM电解水制备绿氢产业发展势头强劲,对铱的需求量会激增,后续会随着制氢效率的提高、其他金属替代等各种原因逐步降低对铱的需求量,直至供需平衡。

1)电极(氯碱电极、水处理电极、铜箔生产中的电极等)。铱是一种性能优异的电极涂层,在高电位下具有良好的化学稳定性,因此,铱涂层广泛用在氯碱工业生产氯和烧碱、船舶压载水处理以及电解铜箔等领域(其中铱做阳极涂层)。在船舶制造中,阳极板电铱能够有效地保护船体不被海水侵蚀,延长船体的使用寿命;铜箔的传统应用是印刷电路板,锂电池和纯电车的兴起将推动行业对铜箔和铱的需求。长期来看,该领域有较好的前景,但是铱涂层使用寿命较长,且有部分领域可以采用其他铂系金属对铱进行替代,因此对铱的需求量不会大幅变化。

2)汽车发动机火花塞。火花塞是一种引擎内部的部件,其主要作用是在燃烧室内引起火花,使混合气体点燃,从而让引擎运转起来。近年来,随着新发动机对火花塞的寿命要求提高,对火花塞侧电极材质提出了要求,诞生了双铂金、铱铂金和双铱金的火花塞。铱因其具有高硬度,可以使其在火花塞上做的更细,细的电极使点火更为集中,能量更强,火花塞路线更稳固,有效的提升燃烧的效力和效度。目前铱金火花塞是所有火花塞中的高端产品,价格往往比铂金火花塞高,一般都使用在高档轿车上,因此对铱金的需求量并不是很大。

3)质子交换膜PEM电解水制氢。质子交换膜电解水(PEMWE)制氢因其电流密度高、冷启动时间短,是面向可再生能源生产“绿氢”的首选方法。PEMWE需要大量的贵金属催化剂来加速阳极缓慢的析氧反应(OER),铱及其衍生的氧化物被认为是唯一可行的催化剂,可以同时满足实际应用的活性和稳定性需求。目前,铱负载量是扩大质子交换膜电解槽的潜在瓶颈,PEM电解槽每兆瓦需要约700克(24.7盎司)的铱,占PEM电解槽成本的8.1%。未来该领域对金属铱的需求量主要取决于两方面的因素:质子交换膜电解槽的需求以及铱的涂敷量。

第一,质子交换膜电解槽的需求。根据氢能委员会的数据,2022年电解槽的容量增长了30%,达到了0.170GW,总容量达到了0.7GW。氢能的势头仍然强劲,国际能源署APS承诺基于所有宣布的国家减少排放目标,预测PEMWE产能将从2022年的0.30W增加到2030年的80GW,到2050年为580GW;国际能源署的2050年零净碳排放量NZE预测,到2030年,PEMWE产能将增长到220GW,到2050年将增长到1130GW;氢气委员会则预测2050年PEMWE产能将增长到1550GW。根据测量,2023年1GW的质子交换膜PEM电解槽产能需要大约0.4吨的铱,如果PEMWE产能增长以预期的速度持续,那么铱的供应量将出现严重短缺。

图1-6 全球PEMWE产能预测

注:根据IEA APS(绿线)、IEA NZE(红线)和氢气委员会(蓝线)的数据,预测全球PEMWE能力。

图片来源:《Perspectives on current and future iridium demand and iridium oxide catalysts for PEM water electrolysis》,Mark Clapp等。

第二,质子交换膜电解槽中的铱涂敷量。目前质子交换膜电解槽中的铱涂敷量为400kg/GW,降低铱涂敷量需要多方共同进步,包括使用活性更高的催化剂、更高效的质子膜,更有效的催化剂涂敷方式等,以最大限度地提高铱的使用效率。减少PEM电解槽每吉瓦功率所需的铱催化剂用量已经开始推广,并且100kg/GW的催化剂已接近上市,庄信万丰公司预测到2030年载铱量减少至80kg/GW是可行的,研究机构E4tech的预测显示,在较低需求情景假设中的铱涂敷量可能只有50kg/GW,贺利氏公司则表示下一代技术的目标是将铱用量进一步降低到30kg/GW,预计在2050年实现该目标。以氢燃料电池的发展为例,铂族金属的使用量已从1991年的约3g/kW减少到2005年的1.1g/kW,乃至目前的0.14-0.2g/kW,在30年间减少了一个数量级,因此,基于铂族金属涂敷量大幅降低的历史经验,以及铱供给的稀缺性,将促使相关研究的深入探索,铱涂敷量有望在2030年至2050年逐步降低,从而实现金属铱的供需平衡。

二、铱的价格及供需分析

(一)铱的历史价格

近15年(2009年3月-2024年3月)铱的国际平均价格走势如图2-1所示。2010-2011年,发光二极管(LED)技术的应用爆发,铱价格小幅上涨至1000美元/盎司;2015-2016年,4G移动技术的推出引发了对电子行业晶体材料的需求,从而刺激了用于晶体生长的铱坩埚需求增长,从2017年起,铱价格开始缓慢上升,2020年末达到1973.84美元/盎司;2020年后,一方面受疫情影响,导致全球铱供应量下降,另一方面,汽车电动化快速发展,锂离子电池需求大幅提高,刺激电解铜箔产能的大幅扩张,推动对铱的需求,铱价格在2021年5月达到6300美元/盎司的最高值;2022-2024年,铱价格在4500美元/盎司上下波动。

数据来源:庄信万丰(Johnson Matthey)

(二)铱的供给与需求预测

根据美国地质勘探局矿产年鉴,铱矿产量2014年为5.18吨,2015年-2022年均产量为7.5吨,与铱的总需求量基本平衡(全球铱金属供需量如图2-2所示)。2016-2018年OLED和电动汽车行业的快速发展,导致铱需求高于铱供给,铱价格从2017年起开始逐步上升。2020-2022年受新冠疫情的影响,全球经济发展缓慢,对铱的需求量有所降低,2022年,南非最大的两家铂族金属生产商Anglo American Platinum和Impala Platinum都进行了熔炉大修,限制了冶炼能力,受暴雨、设备短缺和社区抗议的影响,南非铂系金属采矿量都有所下降。

需求端来看,2023年各行业从疫情疲软状态逐步恢复,预计未来10年电动汽车行业和PEMWE行业对铱的需求量较大,考虑到各国对绿色清洁能源的重视,PEMWE行业中对铱的需求量将会对铱价格产生重大影响。因为铱价格明显高于其他铂系金属,所以已经有行业开始探索其他金属对铱的替代研究,据报道,汽车(例如火花塞)和电子(例如坩埚)行业已经开始替代部分铱,据世界铂金投资协会WPIC估计,到2030年,现有铱需求的20%将被替代,到2040年将达到30%,在未来十年内,每年释放铱供应达4.5万盎司至6.7万盎司。因此,这些行业被替代的铱需求将会在一定程度上缓解PEMWE行业的铱需求量。

供给端来看,铱的产量依赖于铂和钯的产量,铱的价格弹性较小,因此铂和钯的产量将会影响到铱的价格。2024年,南非铂金供应量预计将增长5%,钯金和铑金的供应量预计也将出现小幅增长,此外,部分矿商扩建了矿区,并优化了工厂,以去除生产瓶颈,因此,预计未来10年铂族金属产量将会稳定增长。此外,铱废料的闭环回收也获得日益重视,尽可能地确保铱材料的再利用和回收来实现循环性,例如,美国清洁氢能路线图计划在2030年代实现电解槽装置中铂族金属99%回收率的目标。因此,铱废料的闭环回收将成为铱供应的重要来源。

图2-3 铱的供应量及PEMWE的铱需求量预测


资料来源:世界铂金投资协会(WPIC)

(三)铱的价格走势预测

根据前文对铱的供给预测和各领域对铱的需求预测,本研究预测近10年时间里铱的价格将会快速上升,长期来看,随着铱回收技术的成熟、PEMWE铱涂敷量的降低、其他行业铱金属替代量的提高以及铱矿采集和提炼技术的成熟,铱的价格将逐步下降,并趋于平稳。图2-4是对铱未来价格的预测区间。

图2-4 铱价格走势预测图

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