中国的镓,太多了!

时间:2023-08-21 12:24:52 来源: 中科院地质地球所


NO.2517- 中国的镓,锗

文字:伯玥


(资料图)

校稿:朝乾 / 编辑:果栗乘

7 月 3 日,中国商务部和海关总署联合发布了《关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告》,公告显示,自 8 月 1 日起,对包含金属镓、金属锗等 14 项相关物项进行出口管制,未经许可,不得出口!

对镓、锗相关物项实施出口管制

目的是维护国家安全和利益

( 图:商务部网站截图 )

出口管制颁布后,短短 5 天内国际镓价猛涨 27%,资本市场上稀有金属、稀土等板块也跟着大涨。

以前我们讲过很多种中国短缺的资源,但中国有优势的资源也有很多,而且在全世界都是 " 统治级 " 的,镓和锗就是其中两种。今天就来讲讲,我们的镓、锗有多厉害,同时又有哪些短板。

中国不缺镓和锗

镓和锗都属于地球上的 " 稀散金属 ",顾名思义,就是不光稀有,而且极其分散,极少有独立矿床。

判断稀有与否的标准是 "丰度",也就是元素在地壳中的平均含量,比如每吨地壳物质中,只有 15 克的镓,也就是 0.0015%,锗的丰度还要低十倍,每吨地壳物质里只有 1.5 克锗,也就是 0.00015%,与之相比,铁的丰度是 5.6%,铝是 8.2%,完全不可比。

铝是地壳中丰度最大的金属元素

图为铝土矿石,看起来和普通的石头没什么区别

(图:图虫创意)

这两种金属虽然少,但是用途很广。

镓的熔点只有 29.78 ℃,是少有的在室温也能保持液态的金属。卫星通讯、半导体、太阳能和人工智能等前缘科技的研发和生产都离不开镓。80~85% 的金属镓都消耗在半导体行业,所以先进工业国对镓格外重视。

金属镓无毒,放在手里就能融化,挺好玩的

(图:壹图网)

美国早已将镓列为 35 种关键矿产目录,欧盟也将其列入 61 种关键原材料目录。2011 年,我国也将镓列入了战略储量金属。

99.999% 镓晶体(图:wiki)

锗的用途也很多,基于良好的半导体和光电特性,半导体、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学都需要锗,特别是在红外感光领域,有极高的不可替代性,这当然就涉及到军事领域了。所以美、日、澳、加、欧盟都把锗列入了关键矿产目录,严格管控。

掺锗光纤具备容量大、光损小、色散低、

传输距离长、不受环境干扰等优势

作为光通讯网络的主体

是目前唯一可以工程化应用的光纤

(图:图虫创意)

要找到镓和锗的矿床并不容易,他们极少单独成矿,而是以分散状态藏在各种多金属矿床的伴生组分里。

由于镓可以代替与自身大小和电荷相似的元素,这样就可以渗透进别的矿床里。例如代替铝存在于铝矾土中,形成 "铝土矿型伴生镓矿床";代替锌少量存在于闪锌矿中,形成 "铅锌矿型伴生镓矿床"。此外,镓还可以伴生于煤层中,形成 "煤型伴生镓矿床"。

这些矿床中,可找到伴生镓

(图:shutterstock)

基于相同的原理。锗也主要分布在" 煤型 " 含锗矿床和" 铅锌型 " 含锗矿床。

所以工业用的镓和锗主要来自这些矿床的副产品。

就矿床种类而言,铝土矿是镓的主要来源,目前全球 90% 的镓作为炼铝工业的副产物而产出。不同地区、不同类型的铝土矿中伴生镓的含量不同,且差别较大。每吨原矿石中一般含镓 50~250 克。像我国贵州铝土矿,一般每吨含镓 122~127 克。

红红的铝土矿,产铝还副产镓

(图:shutterstock)

此外,镓也可以从闪锌矿湿法炼锌时的粗锌蒸馏残渣中提取。煤矿中的镓含量普遍不高,一般每吨 10-30 克,但我国内蒙古准格尔煤田的镓含量高达每吨 30-70 克,是近年新发现的超大型富镓矿床。

位于伊克昭盟的准格尔煤田

拥有亚洲最大的露天煤矿

(图:Google maps)

虽然这些比例看似都很低,但铝土矿和煤矿的基础量都非常大,能顺便提炼出来的镓自然也很多。

中国同时也是锗资源大国," 铅锌型 " 含锗矿床主要分布在川滇黔低温成矿域。" 煤型 " 含锗矿床主要分布在内蒙古和云南,包括内蒙古伊敏五牧场、内蒙古胜利乌兰图嘎和云南临沧等地。

" 铅锌型 " 属于碳酸盐岩容矿型锗矿

产自煤层中的锗是中国最主要的锗资源类型

目前,全球可统计的镓储量大约 27 万吨,中国就占了近七成,约 19 万吨,居世界之首,其余的镓主要分布在非洲、美国、南美洲和欧洲等地。

中国的镓资源量独占鳌头

和镓相比,锗的全球储量要少得多,大约 8600 吨,美国 3870 吨,占 45%,中国次之,3500 吨,占 41%; 俄罗斯 860 吨,占 10%,三家基本上约等于全球探明储量了。

横屏- 世界镓、锗资源分布

中国的镓、锗处于绝对领先地位

产业链困局

中国虽然镓的储量丰富,但储量 ≠ 产量,中间需要一整套由粗到精的产业链,而且镓的全产业链对资本和技术的要求很高,分三个环节:

首先是原材料和初级加工,需要有含镓的闪锌矿、氧化铝土矿、废渣烟尘和煤层作为原材料,再用拜耳法将这些原材料加工为粗镓。

接着是深度加工,分两个部分,一个是用电解精炼等工艺,将粗镓制备成高纯度镓;另一个是用碱液中电解法、液态密封法、溶胶凝胶法等工艺,将粗镓或高纯度镓制备成砷化镓、氮化镓、氧化镓等化合物。

最后是应用产品,将含镓化合物生产为铜铟镓硒薄膜、激光二极管、射频电子设备、催化剂等元件应用产品。

镓产业链示意

这三个环节里,中国占绝对优势的只有初级加工的粗镓产品。2019 年全球粗镓产量 324 吨。其中中国 310 吨,占 95.68%,处于绝对优势地位。但是高端镓产品的自主产能很低,高度依赖从美、日进口。

我国在粗镓产量上占绝对领先地位

全球粗镓生产厂家有 30 多家,主要是大型铝厂和有色金属冶炼厂,主要在中国、俄罗斯、乌克兰、德国。但是高纯度镓和再生镓生产国主要是日本和美国,并将其用于本国的集成电路、半导体等产业。

全球主要的镓生产企业

镓消费结构分布图

这就形成了一个特殊的结构,中国生产粗镓,美日生产高纯度镓以及半导体产品,同时美日还用半导体卡中国的脖子。中国要发展自己的半导体产业,光有粗镓还不够,还要从美日进口高纯度镓。

2017-2022 中国镓进出口量

而且从 2011 年开始中国的粗镓产量大幅提升,导致粗镓供大于求,价格也跟着暴跌。随着中国供给侧改革和全球镓消费量的提升,2015 年之后,镓的供需格局才持续收紧,卖了太久的白菜价,价格终于又升上来了。

中国 4N 镓价格走势

可以说,我们虽然控制着粗镓的产能,但也被困在低端环节,不光利润少,而且高端货还是依赖进口。

2005-2019 年全球镓产量与供求平衡

和镓的情况类似,锗的产业链也分为上游(原材料、初级产业)、中游(深加工、元部件产业)、下游(红外和光纤等终端产品)三个部分。

锗产业链示意

其中上游原材料和初级加工的技术难度最低,但环保压力大,我国的优势也主要在这方面。2019 年,中国的产量就占了全球的65.4%。

全球锗产量及中国占比

由于锗在军工和民用方面都有重要作用,光纤、红外光学、太阳能电池都离不开锗,锗的消费量也往往对应着国家军事实力和经济水平。目前,中、美、日三国就消费了全球 80% 以上的锗。

2015 年以来全球锗产业结构变化

红外、光纤和太阳能电池占比稳定增长

虽然中国同时也是锗的最大出口国,但是遇到的问题和镓类似,我们主要还是向西方发达国家出口初级锗产品。由于我国在红外和光纤领域使用的高端锗产品的制作技术还不成熟,高端锗产品如 " 锗单晶 " 和光纤用 " 四氯化锗 " 基本都依赖进口。

出口初级锗产品,进口高端锗产品

如今随着我国在红外、光纤、太阳能等领域快速发展,锗的需求量也不断增加,对于高端锗产品的技术攻关也势在必行。

保护战略资源,势在必行

近年来,在关键金属下游的半导体产业,西方国家对中国的打压愈演愈烈。

今年 5 月底,日本宣布对 23 种半导体设备和材料进行出口限制,7 月 23 日起正式实行。6 月 30 日,全球最大的光刻机生产国荷兰宣布进一步收紧光刻机出口政策,高端 DUV 光刻机从 9 月 1 日起将限制向中国出口。

光刻机是制造芯片的核心设备

(图:shutterstock)

事实上,很多稀有的关键金属都是由中国向外供应,而且几乎没有替代元素,凭什么中国要供应给西方国家,让他们制成芯片反过来卡中国的脖子?

我国是镓和锗的资源大国、生产大国和出口大国。多年来已经为全球产业链做出了很大贡献。在产业升级的背景下,加强战略资源的开发与管制非常合情合理,西方国家自己也是这么干的。

去年年底 ChatGPT 横空出世

美国提前几个月限制向中国出口先进芯片

(图:Reuters)

比如美国的锗储量全球第一,却将其作为战略资源保护起来,限制开采,需求都从中国等国家进口。虽然我国储量第二,却供应着全球 70% 的消费量,锗资源已经过度开采。我们要发展自己的高端制造和战略新兴产业,未来锗的消费量也将十分巨大。

因此,合理开采稀有金属并限制出口,不仅能减少资源滥用,更能让中国的产业获得更充分、品质更高的战略资源,进一步提升国际竞争力。

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