人類得跟「鈷」分手,電動車才有未來

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Photo Credit: Alchemist-hp
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原文為 FT《Electric cars: the race to replace cobalt》,經合作媒體 雷鋒網編譯

在離波士頓 1 小時車程的工業園區實驗室中,塔夫茲大學(Tufts)教授 Michael Zimmerman 正滿懷希望的測試一種新材料,他希望這種誕生於地下室的新材料能解決電動車產業面臨的一場危機,而現在整個產業的未來都壓在了世界上最貧窮且最不穩定的國家——剛果(註:剛果民主共和國)身上。

電動車廠商的焦慮和依賴

▲塔夫茲大學(Tufts)教授 Michael Zimmerman(圖片來自:Tony Luong/Redux/ Eyevine)

*塔夫茲大學(Tufts)教授 Michael Zimmerman(圖片來自:Tony Luong/Redux/ Eyevine)

除了平時給學生上課,Zimmerman 還創辦了一家新創公司 Ionic Materials,這家公司的電池材料可能會助力汽車產業擺脫用了一個世紀的內燃機,盡快完成電動化。

說到這裡,我們就不得不提鈷(cobalt)這種銀灰色金屬,它是製造電池時必備的材料。不過,地球上鈷儲量的 60% 都分布在剛果。Zimmerman 希望改變這個現狀,用新技術造出不用鈷的新一代電池。

現在的 Ionic Materials 已經是一家炙手可熱的公司,它的投資者名單上不但有著名電腦科學家 Bill Joy,還有雷諾-日產-三菱聯盟、現代汽車和法國石油巨頭道達爾等。

「這世界需要電動汽車。」Zimmerman 說。「我還從來沒見過哪個體量巨大的產業要從底層進行大革新,徹底轉換到新技術軌道上。除了公司自己的原動力,各國政府也成了重要推手。」

Ionic 的金主清單也反映了汽車廠商們對現有電池技術的焦慮和它們對剛果的依賴。

眼下,鈷的供應把持在幾家礦業公司手中,其中就包括瑞士巨頭嘉能可公司。人權組織表示,除了這些「先進產能」,還有許多鈷是剛果人手工挖出來的,童工問題在這個國家根本無人過問。

換句話來說,這個寄託著新希望的技術,當下卻嚴重依賴那種老舊的工業形式,這種上下脫節的局面實在是令人詫異。

對電池來說,鈷到底有多重要?

在許多專家看來,電池將成為本世紀能源產業的新霸主,就像過去的石油那樣。

未來,電池除了驅動我們的 iPhone 和筆記本電腦以外,還會帶著我們周遊世界。沒有足夠強大的電池,這個世界就難以從「化石燃料成癮」的狀態中解放出來,緩解氣候變化也就成了一句空話。

不過,電池的生產過程相當複雜,想實現性能要求更需要精確的化學反應。同時,使用者的期望值也不斷提高,電池必須得在充電速度、續航和安全等方面不斷進步。對於一些生活在極寒或酷熱地區的人來說,電池在極端環境下的表現也相當重要。

如果電池技術再不變革,未來十年內鈷的需求量至少會翻倍,其中 70% 都要從剛果購買。喬治亞理工學院材料和工程學院教授 Gleb Yushin 直接指出: 所謂電動車市場的爆發性成長很難實現,除非電池技術出現大的突破。

沒有剛果的鈷,就沒有電動車產業。」Caspar Rawles 說著,他是 Benchmark Mineral Intelligence 公司的市場調查員。「如果剛果局勢不穩,電動車市場大爆發就是句空話。」

Zimmerman 從五六年前就開始思考有關電池的問題,當時電動車在市場上的聲量還很小,特斯拉也剛剛走紅。在那個時代,鈷這種特殊金屬一般只用在飛機引擎和智慧手機上。

隨著各國環保法案的逐漸收緊,電動車開始吃香,2010 年時純電和插電混動車型一共只賣出了 6000 台,到去年這數字就暴增到 100 萬台,不過依然只佔到全球汽車銷量的 1%。

麥肯錫認為,2030 年之前,全球還會生產並銷售 3.4 億台電動汽車(包括乘用車、卡車和公車等)。

如此龐大的市場也讓電池工廠在各地全面開花。Benchmark Mineral Intelligence 的數據顯示,特斯拉超級工廠的電池產能在過去 8 年內成長了 10 倍,每年生產的電池可達 41 千兆瓦時。也就是說,電池會成為「21 世紀的油桶」。

雖然業界都在期盼新型電池技術的誕生,但傳統的鋰離子電池功績也不可磨滅。這種電池誕生於上世紀 80 年代的牛津大學,發明它的美國教授 John Goodenough 現在已經 96 歲了。不得不說,鋰離子電池是 20 世紀科學技術的高峰,它是便攜電子設備得以大規模普及的基礎,因此也順理成章成了電動汽車的標配。

不過,1991 年 Sony 順利幫助鋰離子電池落地後,這項技術一直都沒有大的改進。Zimmerman 相信,現在驅動全人類生活的鋰電池已經觸到了天花板。「誰不想讓手機待機長點,而且沒有爆炸的危險?」他說。「在我看來,鋰離子電池已經走進了死巷,在現在的技術條件下,它幾乎已經沒有改進空間了。」

電池組主要由四大部分組成:正極和負極、液態電解質和分離器。

正極被包裹在精心處理的金屬氧化物漿狀物中,主要用到了鋰、鈷、鎳和錳四種金屬。當電池放電時,鋰離子會流向正極,產生電流。當電池充電時,鋰離子則會返回負極,而負極一般由石墨製成。

那麼如果沒有鈷呢?後果很嚴重。

鈷的存在可防止電池過熱,同時它也是電池穩定性的定海神針,沒有鈷的電池根本不可能安全充放多年。當然,它也是電池所用金屬材料中最為昂貴的,電動車價格多年降不下來,就是因為鈷。

倫敦經濟和投資銀行 Liberum 的分析師指出,一公斤的電池正極材料中,鈷價值 12 美元,而鋰這種電池「冠名」材料其實才值 8 美元,另一種材料鎳則只有 5 美元。

電池中用到的金屬佔了整體成本的四分之一。雖然美國愛達荷、阿拉斯加和澳大利亞都發現了新的鈷礦,但它們投入生產要到 2020 年之後。

少用鈷還是徹底剔除鈷?

於是,身為材料科學家的 Zimmerman 將精力投向了一個開發程度相對較低的領域——電解質,雖然在傳統鋰電池中它們是起火元兇。

在他看來,如果將現在使用的液態電解質換成固態的,電池安全性會大幅提升,重量也會降低(現在的電動車甚至要扛著 600 公斤的電池組「負重前行」)。最關鍵的是,這能減少鈷的用量,甚至徹底從工學方程式中剔除這個金屬。

REUTERS/Mohamed Nureldin Abdallah

著名的英國科學家 Michael Faraday 其實 19 世紀 30 年代就發現世界上第一種導電固體了,不過在電池中它卻始終不能正常工作(室溫環境下)。

Zimmerman 經過不懈的努力,開發出了一種聚合物材料來填補導電固體留下的位置。

「它其實看起來就像一卷平凡無奇的塑料,而且塑料上都是孔。」一直在尋找固態電池解決方案的 Joy 說著。「不過,它確實大家期待已久,真正有可行性的新技術。」

咨詢公司 Wood Mackenzie 的數據顯示,豐田、奔馳等汽車巨頭和戴森集團都在研發固態電池(Zimmerman 也算是固態電池的一種),今年上半年投在該領域的資金達到 4 億美元。Wood Mackenzie 認為,到 2030 年固態電池就會成為電動車產業的主流,不過這項技術恐怕要到 2025 年才能真正落地。

「純固態電池的商用還面臨一大堆挑戰。」牛津大學材料系教授 Peter Bruce 解釋。「好在,這些問題正在一點點解決中。」

Ionic 是一系列想要取得電池技術大突破的新創公司之一,不過想從電池產業脫穎而出可不容易,匹茲堡的鹽水電池公司 Aquion Energy 就宣告破產,而去年 3 月份時它才剛剛拿到比爾蓋茲的投資。

與此同時,電池公司也在想辦法減少鈷的用量。Panasonic 汽車業務主管 Yoshio Ito 上個月在東京接受採訪時就表示,公司致力於在未來 2-3 年內減少特斯拉電池中鈷的用量。特斯拉也曾表示,「公司希望在不久的將來實現鈷材料零用量的目標。」

多數汽車廠商也都在行動,它們想用更多的鎳來替代鈷,並以此減少四分之三的鈷用量,未來幾年內這些改進型鋰電池就會逐步登陸市場。

卡耐基梅隆大學教授 Venkat Viswanathan 表示,液態電解質的極限還沒到來,除了 Ionic 的方法,許多電池廠商也在這條路上找到了切實可行的解決方案。

不過,即使找到了製造低鈷電池的方法,電動車需求的成長還是會抵消技術人員的努力,預計到 2025 年鈷的需求量還是會翻番。「完全不用鈷很困難,而低用量是可行的。」Viswanathan 說。

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在 Zimmerman 看來,所謂的低鈷電池也有自己的煩惱,因為它還是有很高的起火風險,必須搭配昂貴的監控技術使用。

他還專門放了一段研究影片,影片中一些釘子刺在了低鈷電池的陰極(依然採用液態電解質),隨後電池就冒煙起火了。電池起火後還會釋放有毒氣體,想滅掉還得穿上專用防毒服裝。「從根本上來說它就不安全。」他說。

「鈷的價格很貴,而且它們大多來自剛果的血汗工廠,因此大家都在極力減少鈷的用量。」Zimmerman 補充道。「不過,如果鈷用少了,正極的電壓就會升高,現有技術下的液態電解質無法在這樣的高電壓下工作,而我們的聚合物材料能。」

Ionic 表示,自家的聚合物材料已經經過測試,無論正極有沒有鈷都能通過,它們正在與其他廠商合作,試圖讓這項技術盡快落地。如果成功,這種材料幾年之內就能殺入電池的供應鏈並成為電動車標配。

為互聯網的誕生貢獻了不少代碼還創立了 Sun Microsystems 的創始人 Bill Joy 則認為,這樣的技術對解決氣候變化也相當重要。現在的電池材料組合「確實已經到了極限」。

「Sony 確實對鋰電池的應用功不可沒,不過它們卻拋棄了安全、成本,還有本就不夠豐富的鈷,剛果的鈷可不夠將全世界電動化。」Joy 說。

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