锂离子电池主元素原料矿产国际贸易链路预测

本文是一篇国际贸易论文，本研究选取锂离子电池生产所需的九种重要矿产作为研究对象，应用复杂网络方法，通过构建矿产国际贸易网络定量分析九种原材料矿产的贸易规律，研究其国际贸易整体格局，并对进出端重要国家的影响力进行分析，探索我国在锂离子电池主元素原材料矿产国际贸易网络中的地位及演变规律，应用模体分析方法，研究了九种矿产原材料国际贸易中的主要局部贸易模式，最后构建链路预测模型，对九种矿产原材料国际贸易中的潜在贸易链接进行预测，为各国寻找合适的贸易伙伴提供理论方法，从而拓宽其进出口贸易渠道，增强矿产贸易安全性。
第一章  绪论
1.1  研究背景
能源是人类生存和社会发展的物质基础，然而随着全球经济的高速发展，近年来能源短缺、生态恶化、环境污染等问题逐步加深，并且由于能源的生产和消费存在地域分布不均匀性，能源供需矛盾日益凸显，近年来能源问题已经成为影响国际政治、经济局势的重要因素。目前世界能源消费主要以化石能源为主，由于其不可再生性，传统的化石能源随着人类社会发展的需要而不断被采掘，已经日渐枯竭，人类面临的能源危机日趋严重，寻找替代能源迫在眉睫。
锂离子电池作为一种新型能源，具有能量密度高、输出功率大、安全性能好、循环寿命长、清洁无污染等诸多优点在新能源的开发利用中占有重要地位。近年来，锂离子电池市场呈现快速增长态势，并已逐步被广泛应用到手机、电脑、数码相机、航空航天、小型电子器件、机电以及军事通讯等各大领域。锂离子电池在市场中出现不到 30 年，但其已经占据了全球充电电池市场的 85%份额（不包括铅酸电池）[1]。新能源汽车市场需求的快速增长也带动了锂离子电池需求量的增大，根据中国汽车工业协会统计，我国在 2018 年新能源汽车的产量为 127 万辆，较上年同比增长 59.9%，根据中国汽车动力电池产业创新联盟统计，2018 年我国动力电池装车量达到 56.92GWh，较上年同比增长 56.3%。据学者统计，我国已经成为世界上最大的锂离子电池制造商，2016 年的产量为 63.7GWh，占据市场份额的 50%以上[2-3]，而在 2018 年我国锂离子电池产量已达到 124.2GWh，较 2016 年增长了近一倍。锂离子电池产业的迅速发展引起了全球资源问题的关注，锂离子电池对 Li、Co、Ni、C 等矿产资源的消耗占据锂离子电池总成本的 50~70%[4]，矿产原材料的大量消耗给全球供需平衡带来了巨大的危机和挑战。
我国是一个矿产资源大国，矿产储量丰富且品种较为齐全。对于锂离子电池主元素原料所包含的锂矿和石墨，我国在先天资源储备上得天独厚。其中，就锂矿资源而言，根据美国地质调查局数据显示[5]，至 2018 年底全球已勘测出的锂矿资源量为 1400万 t，主要分布在阿根廷、澳大利亚、葡萄牙、智利、中国、美国、巴西和津巴布韦这八个国家，其中中国约占 100 万 t，排名第四位，占全球总储量的 7.14%。
1.2  研究意义与方法
1.2.1  研究意义
矿产资源在全球的分布具有区域集中性，很少有国家能仅依靠本国自身的矿产存储来满足其工业生产的需要，因此国家间通过国际贸易的手段将优势矿产输出，将稀缺矿产进口，以满足本国的供需平衡。近年来随着新能源产业的快速发展，尤其是电动能源汽车的大量生产，锂离子电池的消耗量激增，其上游生产原材料矿产的大量消耗给全球供需平衡带来了巨大的危机和挑战。并且随着经济全球化的深入发展，国家之间贸易来往越来越频繁，但是由于参与国家之间的资源禀赋、地理位置、贸易政策的差异，使得各个国家在锂离子电池主元素原料矿产贸易中的角色、影响力均不同，并且随着国际形势的动荡起伏，矿产整体贸易格局在时间尺度下悄然演变着，这些因素都会导致国家之间的贸易存在大量风险。因此，对锂离子电池主元素原料矿产当前的贸易格局以及演变情况有一个清楚的了解，对本国在矿产贸易中的角色、地位、影响力有一个明确的认知，是十分必要的。在规避国际贸易风险中，寻找新的、合适的贸易伙伴，拓宽贸易渠道，增加进出口端贸易的多样化程度，具有重要意义。本文以锂离子电池主元素原料所包含的九种重要矿产作为研究对象，运用复杂网络方法、模体方法，以宏观和微观相结合的视角，对九种矿产国际贸易的整体格局以及局部贸易模式进行了分析，并通过与典型国家的比对，深入探究了我国在矿产进出口端的影响力。在现有网络结构以及分析基础上，构建链路预测模型对九种矿产贸易国伙伴关系做出预测，找到在未来一段时间内可能建立真实贸易关系的国家/地区对，为这些国家在寻找合适贸易伙伴，开拓贸易新渠道上提供理论支持。研究意义可具体分为理论意义和实际意义两方面。
理论意义：在对锂离子电池主元素原料矿产国际贸易研究中，将复杂网络方法与模体分析方法进行结合，以宏观和微观视角，对九种矿产国际贸易的整体格局以及局部贸易模式进行了分析，丰富了矿产国际贸易网络的研究思路。在对贸易伙伴关系的预测中，构建有向链路预测模型，使预测结果包含方向性，在分析贸易链接规则上，引入网络模体方法，探究了被预测成功链接形成过程对网络中重要模体新增的促进作用，拓展了矿产国际关系预测的研究思路。
实际意义：面对复杂多变的国际贸易环境，对锂离子电池主元素原料矿产的贸易格局及演变情况进行研究，可了解我国在贸易中的地位和影响力，为我国的贸易政策优化提供理论价值。链路预测方法可基于现有的国际贸易网络拓扑结构为未来贸易关系进行预测，我国可以依据预测结果，提前为贸易建交进行筹备，为我国在国际贸易伙伴选择上提供决策参考。
第二章  理论基础
2.1  国际贸易相关理论
国际贸易对全球经济发展起到了巨大的推动作用，是世界各国参与国际分工，实现社会再生产顺利进行的重要平台，有利于各国市场供求关系的稳定，是世界各国对外经济关系的核心。国际贸易理论随着世界经济形势的变化和经济学理论的发展而不断丰富，以国际贸易理论发展阶段为主线来分析，其发展可分为三个阶段：古典贸易理论、新古典贸易理论和现代贸易理论。国际贸易理论的发展和丰富呈现了国际进出口贸易的演变情况，为研究国际贸易中各国的经济行为提供了理论支撑，接下来就本文中所应用到的部分国际贸易理论基础进行简要介绍。
2.1.1  比较成本学说
比较成本学说是英国古典经济学家大卫李嘉图在 1817 年发表的《政治经济学及赋税原理》一书中提出的，其继承并发展了英国经济学家亚当斯密提出的绝对成本学说。大卫李嘉图认为一个国家不仅可以在本国商品相较于其它国家同种商品具有绝对优势时出口该商品，在本国商品相较于其它国家同种商品处于绝对劣势时进口该商品，而且一个国家即便在生产上没有任何绝对优势，只要与其它国家相比生产各种商品的相对成本不同，那么该国家仍可以通过生产相对成本较低的商品进行出口，从而换取该国家在生产中相对成本较高的产品，从而在贸易中获得收益。
比较成本学说能够较为准确的反应国家贸易往来中的一般经济规律，该理论强调劳动价值在商品价值中的重要地位，为世界各国特别是经济和生产力相对落后的国家也能参与到国际分工体系，进行贸易往来提供了宝贵的理论支持，时至今日仍被视作是决定国际贸易格局的基本规律，是西方国际贸易理论的基础。
2.2  复杂网络理论
复杂网络（Complex Network）,  是指具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络。复杂网络是研究各类复杂性系统内部结构和性质的重要手段，帮助人们深入理解现实中各种网络的本质特征。
2.2.1  复杂网络的发展历程
复杂网络理论起源于 18 世纪德国数学家欧拉对哥尼斯堡“七桥问题”的研究，并以此开创了图论（Graph Theory），成为用网络观点描述客观世界的开端，欧拉也因此被公认为图论之父。在此后的两个世纪里，图论的研究进展相对缓慢，科学家们认为真实系统各因素之间的关系可以用某些规则结构进行表示，因此在构建网络时认为网络中任意两个节点之间的联系遵循着既定的规则。规则网络在图论中有很严格的定义，即指每个节点度都相同的图，也就是说网络中每个节点的近邻数目都相同。规则网络往往强调网络结构的确定性和对称性，但对于现实中的大部分网络而言，并不适用。直至 1959 年，两位匈牙利数学家 Erdös 和 Rényi 创立出随机图理论（Random Graph Theory），由此诞生出一种新的构造网络的方法，在这种方法下，两个节点之间是否连边不再是确定的事情，而是根据一个概率所决定。数学家们把这种完全随机的网络模型叫做随机网络，它在后半个世纪里一直被众多科学家认为是描述真实系统最适宜的网络。然而从某种意义上讲，规则网络和随机网络是网络中的两种极端情况，近年来随着计算机技术的高速发展，科学家们发现大量的真实网络既不属于规则网络，也不属于随机网络，而是呈现出与二者均不同的统计特征的一种复杂网络。20 世纪末，复杂网络领域出现了两项具有开创性的研究成果，开启了复杂网络研究的新纪元，其一是 Watts 和其导师 Strogatz 于 1998 年提出了一种介于规则网络和随机网络之间的网络模型——小世界网络模型（WS 模型），该模型不但具有高集聚系数的规则网络特征，还具有较小平均路径长度的随机网络特征。其二是 Barabasi 教授和其学生 Albert 于1999 年提出的无标度网络模型（BA 模型），认为真实网络自组织并表现出无标度特性的根本原因是“生长”和“偏好依附”两个机制，指出很多复杂网络的度分度符合幂律分布。  第三章  锂离子电池主元素原料矿产国际贸易网络演化特征 ......................... 25
3.1 数据处理与网络构建 ............................ 25
3.1.1 数据来源与处理 .................................... 25
3.1.2 锂离子电池主元素原料矿产国际贸易复杂网络构建 .......................... 26 
第四章  锂离子电池主元素原料矿产国际贸易关系链路预测 ....................... 76
4.1 链路预测模型有效性检验 ........................ 76
4.1.1 选取最优算法 .............................. 76
4.1.2 选取潜在链接 ............................... 81
第五章  结论 ................................ 119
5.1  研究结论 .................................... 119
5.2  政策建议 ................................... 121
5.3  不足与展望 .................................. 123
第四章  锂离子电池主元素原料矿产国际贸易关系链路预测
4.1  链路预测模型有效性检验
在本小节，首先对四种主流算法的精确性进行检验以选取最优算法，然后采用最优算法对九种矿产贸易的潜在关系进行预测，通过比较预测链接在实际贸易中的成功比例，来对链路预测模型的有效性进行检验，证明该算法在实证网络中应用的可靠性。
4.1.1  选取最优算法
利用 CN，AA，RA，PA 四种主流算法分别对测试集和不存在的链接关系集进行计算，并按算法得分的高低对这些链接进行排序。得分越高，说明该不存在的链接在未来更有可能转变为存在的链接，即此链接对应的国家对更容易在未来发生贸易关系。本部分通过对四种算法对应的精确性指标 AUC 进行比较，来找到最合适的算法，AUC 得分越高说明其对应的算法准确度越高。
在网络类型的选择上，基于两点考虑选择有向无权网络进行预测。第一选择有向网络即考虑国家间贸易的指向性，可以结合国家进出口贸易额的总量数据来对预测出的潜在链接进行筛选，例如出口额大的国家往往更适合担任出口国的角色，先天资源禀赋低的国家往往进口需求大。选择有向网络也可将形成的链接加入模体分析中，通过查看增加的局部贸易结构来分析该潜在链接对贸易流的推动作用。第二在边权上选择无权，可以将进出口大国在贸易网络中的聚集作用消除，只在考虑网络结构即贸易渠道的连通性上进行分析预测，使进出口小国之间预测链接的可能性浮现，有利于发现更多更有可能实现的贸易链接。 第五章 结论
5.1 研究结论
能源是人类赖以生存和社会发展的物质基础，自工业革命以来，常规能源大规模的开采使用，使全球面临能源短缺和环境污染等诸多问题，寻找新型可循环利用的清洁能源刻不容缓，锂离子电池作为一种新型能源，具有能量密度高、输出功率大、安全性能好、循环寿命长、清洁无污染等诸多优点在新能源的开发利用中占有重要地位。本研究选取锂离子电池生产所需的九种重要矿产作为研究对象，应用复杂网络方法，通过构建矿产国际贸易网络定量分析九种原材料矿产的贸易规律，研究其国际贸易整体格局，并对进出端重要国家的影响力进行分析，探索我国在锂离子电池主元素原材料矿产国际贸易网络中的地位及演变规律，应用模体分析方法，研究了九种矿产原材料国际贸易中的主要局部贸易模式，最后构建链路预测模型，对九种矿产原材料国际贸易中的潜在贸易链接进行预测，为各国寻找合适的贸易伙伴提供理论方法，从而拓宽其进出口贸易渠道，增强矿产贸易安全性。
现对全文主要研究结论进行如下总结：
1.  在锂离子电池主元素原料矿产国际贸易总体规模方面，本文以国家数量和贸易关系数量来进行衡量，发现钴和镍的贸易规模较小，石墨和铁的贸易规模相对较大，锂、锰、铜和钛的贸易规模处在中游水平。在锂离子电池主元素原料矿产国际贸易总体贸易额方面，Cu 和 Fe 两种矿产作为工业生产中的最常用的金属矿产，其贸易额在 9 种矿产中占比十分突出，Cu 矿占比 28.66%，Fe 矿更是达到了 60.76%，这两种矿产承担了总体贸易额的近 90%，远高于其它 7 种矿产。Cu 在十年中总体呈现 600 亿美元以上的贸易状况，Fe 则达到了千亿美元的贸易状况。Al、Mn、Ni、Ti四种矿产的的贸易额处在中游水平，总体贸易额在 20 亿美元至百亿美元间。C、Co、Li 三种矿产的贸易额在九种矿产中处于下游水平，贸易额总体在 25 亿美元之下。
2.  以网络密度指标来对九种矿产的市场密度进行衡量，发现九种矿产国际贸易网络的密度在 0.05 至 0.12 之间。其中，钛的国际贸易市场密度较高，而钴和镍的国际贸易市场密度较为逊色。用进出口额前 8 的国家或地区（CR8）所占的贸易额比例来对产业集中度指数进行测算，发现锂离子电池主元素原料所包含的九种重要矿产其市场的进出口集中度都在均在 0.7 以上，属于极高寡占型市场。
参考文献（略）