焦慮與依賴：電動(dòng)汽車的未來真的會(huì)被“鈷”卡住脖子嗎?

在離波士頓1小時(shí)車程的工業(yè)園區(qū)實(shí)驗(yàn)室中,塔夫茨大學(xué)(Tufts)教授MichaelZimmerman正滿懷希望的測(cè)試一種新材料,他希望這種誕生于地下室的新材料能解決電動(dòng)汽車行業(yè)面臨的一場(chǎng)危機(jī),而現(xiàn)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)的未來都?jí)涸诹耸澜缟献钬毟F且最不穩(wěn)定的國(guó)家——?jiǎng)偣鹕砩?/p>

電動(dòng)汽車廠商的焦慮和依賴

除了平時(shí)給學(xué)生上課,Zimmerman還創(chuàng)辦了一家新創(chuàng)公司IonicMaterials,這家公司的電池材料可能會(huì)助力汽車行業(yè)擺脫用了一個(gè)世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī),盡快完成電動(dòng)化。

說到這里,我們就不得不提鈷(cobalt)這種銀灰色金屬,它是制造電池時(shí)必備的材料。不過,地球上鈷儲(chǔ)量的60%都分布在剛果金。Zimmerman希望改變這一現(xiàn)狀,用新技術(shù)造出不用鈷的新一代電池。

現(xiàn)在的Ionic Materials已經(jīng)是一家炙手可熱的公司,它的投資者名單上不但有著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家BillJoy,還有雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟、現(xiàn)代汽車和法國(guó)石油巨頭道達(dá)爾等。

“這世界需要電動(dòng)汽車?！盳immerman說?！拔疫€從來沒見過哪個(gè)體量巨大的產(chǎn)業(yè)要從底層進(jìn)行大革新,徹底轉(zhuǎn)換到新技術(shù)軌道上。除了公司自己的內(nèi)生動(dòng)力,各國(guó)政府也成了重要推手?！?/p>

Ionic的金主清單也反映了汽車廠商們對(duì)現(xiàn)有電池技術(shù)的焦慮和它們對(duì)剛果金的依賴。

眼下,鈷的供應(yīng)把持在幾家礦業(yè)公司手中,其中就包括瑞士巨頭嘉能可公司。人權(quán)組織表示,除了這些“先進(jìn)產(chǎn)能”,還有許多鈷是剛果人手工挖出來的,童工問題在這個(gè)國(guó)家根本無人過問。

換句話來說,這個(gè)寄托著新希望的技術(shù),當(dāng)下卻嚴(yán)重依賴那種老舊的工業(yè)形式,這種上下脫節(jié)的局面實(shí)在是令人詫異。

對(duì)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(jì)能源產(chǎn)業(yè)的新霸主,就像過去的石油那樣。

未來,電池除了驅(qū)動(dòng)我們的iPhone和筆記本電腦,還會(huì)帶著我們周游世界。沒有足夠強(qiáng)大的電池,這個(gè)世界就難以從“化石燃料成癮”的狀態(tài)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(chǎn)過程相當(dāng)復(fù)雜,想實(shí)現(xiàn)性能要求更是需要精確的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí),用戶的期望值也不斷提高,電池必須得在充電速度、續(xù)航和安全等方面不斷進(jìn)步。對(duì)于一些生活在極寒或酷熱地區(qū)的人來說,電池在極端環(huán)境下的表現(xiàn)也相當(dāng)重要。

如果電池技術(shù)再不變革,未來十年內(nèi)鈷的需求量至少會(huì)翻番,其中70%都要從剛果金購(gòu)買。喬治亞理工學(xué)院材料和工程學(xué)院教授GlebYushin直接指出:所謂電動(dòng)汽車市場(chǎng)的爆發(fā)性增長(zhǎng)很難實(shí)現(xiàn),除非電池技術(shù)出現(xiàn)大的突破。

“沒有剛果金的鈷,就沒有電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)?！盋asparRawles說道,他是Benchmark MineralIntelligence公司的市場(chǎng)調(diào)查員?！叭绻麆偣鹁謩?shì)不穩(wěn),電動(dòng)汽車市場(chǎng)大爆發(fā)就是句空話?！?/p>

Zimmerman從五六年前就開始思考有關(guān)電池的問題,當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車在市場(chǎng)上的聲量還很小,特斯拉也剛剛走紅。在那個(gè)時(shí)代,鈷這種特殊金屬一般只用在飛機(jī)引擎和智能手機(jī)上。

隨著各國(guó)環(huán)保法案的逐漸收緊,電動(dòng)汽車開始吃香,2010年時(shí)純電和插電混動(dòng)車型一共只賣出了6000臺(tái),到去年這一數(shù)字就暴增到100萬臺(tái),不過依然只占到全球汽車銷量的1%。

麥肯錫認(rèn)為,2030年之前,全球還會(huì)生產(chǎn)并銷售3.4億臺(tái)電動(dòng)汽車(包括乘用車、卡車和公交車等)。

如此龐大的市場(chǎng)也讓電池工廠在各地全面開花。BenchmarkMineralIntelligence的數(shù)據(jù)顯示,特斯拉超級(jí)工廠的電池產(chǎn)能在過去8年內(nèi)增長(zhǎng)了10倍,每年生產(chǎn)的電池可達(dá)41千兆瓦時(shí)。也就是說,電池會(huì)成為“21世紀(jì)的油桶”。

雖然業(yè)界都在期盼新型電池技術(shù)的誕生,但傳統(tǒng)的鋰離子電池功績(jī)也不可磨滅。這種電池誕生于上世紀(jì)80年代的牛津大學(xué),發(fā)明它的美國(guó)教授JohnGoodenough現(xiàn)在已經(jīng)96歲了。不

得不說,鋰離子電池是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的高峰,它是便攜電子設(shè)備得以大規(guī)模普及的基礎(chǔ),因此也順理成章成了電動(dòng)汽車的標(biāo)配。

不過,1991年索尼順利幫助鋰離子電池落地后,這項(xiàng)技術(shù)一直都沒有大的改進(jìn)。Zimmerman相信,現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)全人類生活的鋰電池已經(jīng)觸到了天花板?！罢l不想讓手機(jī)待機(jī)長(zhǎng)點(diǎn),而且沒有爆炸的危險(xiǎn)?”他說?！霸谖铱磥?鋰離子電池已經(jīng)走進(jìn)了死胡同,在現(xiàn)在的技術(shù)條件下,它幾乎已經(jīng)沒有改進(jìn)空間了?！?/p>

電池組主要由四大部分組成:正極和負(fù)極、液態(tài)電解質(zhì)和分離器。

正極被包裹在精心處理的金屬氧化物泥漿中,主要用到了鋰、鈷、鎳和錳四種金屬。當(dāng)電池放電時(shí),鋰離子會(huì)流向正極,產(chǎn)生電流。當(dāng)電池充電時(shí),鋰離子則會(huì)返回負(fù)極,而負(fù)極一般由石墨制成。

那么如果沒有鈷呢?后果很嚴(yán)重。

鈷的存在可防止電池過熱,同時(shí)它也是電池穩(wěn)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(dāng)然,它也是電池所用金屬材料中最為昂貴的,電動(dòng)汽車價(jià)格多年降不下來就是因?yàn)殁挕?/p>

倫敦經(jīng)濟(jì)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(jià)值12美元,而鋰這種電池“冠名”材料其實(shí)才值8美元,另一種材料鎳則只有5美元。

電池中用到的金屬占了整體成本的四分之一。雖然美國(guó)愛達(dá)荷、阿拉斯加和澳大利亞都發(fā)現(xiàn)了新的鈷礦,但它們投入生產(chǎn)要到2020年之后。

少用鈷還是徹底剔除鈷?

于是,身為材料科學(xué)家的Zimmerman將精力投向了一個(gè)開發(fā)程度相對(duì)較低的領(lǐng)域——電解質(zhì),雖然在傳統(tǒng)鋰電池中它們是起火的元兇。

在他看來,如果將現(xiàn)在使用的液態(tài)電解質(zhì)換成固態(tài)的,電池安全性會(huì)大幅提升,重量也會(huì)降低(現(xiàn)在的電動(dòng)汽車甚至要扛著600公斤的電池組“負(fù)重前行”)。最關(guān)鍵的是,這能減少鈷的用量,甚至徹底從工藝方程式中剔除這一金屬。

著名的英國(guó)科學(xué)家MichaelFaraday其實(shí)19世紀(jì)30年代就發(fā)現(xiàn)世界上第一種導(dǎo)電固體了,不過在電池中它卻始終不能正常工作(室溫環(huán)境下)。

Zimmerman經(jīng)過不懈的努力,開發(fā)出了一種聚合物材料來填補(bǔ)導(dǎo)電固體留下的位置。

“它其實(shí)看起來就像一卷平凡無奇的塑料,而且塑料上都是孔?！币恢痹趯ふ夜虘B(tài)電池解決方案的Joy說道?！安贿^,它確實(shí)大家期待已久,真正有可行性的新技術(shù)?！?/p>

咨詢公司W(wǎng)oodMackenzie的數(shù)據(jù)顯示,豐田、奔馳等汽車巨頭和戴森集團(tuán)都在研發(fā)固態(tài)電池(Zimmerman也算是固態(tài)電池的一種),今年上半年投在該領(lǐng)域的資金達(dá)到4億美元。WoodMackenzie認(rèn)為,到2030年固態(tài)電池就會(huì)成為電動(dòng)汽車行業(yè)的主流,不過這項(xiàng)技術(shù)恐怕要到2025年才能真正落地。

“純固態(tài)電池的商用還面臨一大堆挑戰(zhàn)。”牛津大學(xué)材料系教授PeterBruce解釋?！昂迷?這些問題正在一點(diǎn)點(diǎn)解決中。”

Ionic是一系列想要取得電池技術(shù)大突破的新創(chuàng)公司之一,不過想從電池行業(yè)脫穎而出可不容易,匹茲堡的鹽水電池公司AquionEnergy就宣告破產(chǎn),而去年3月份時(shí)它才剛剛拿到比爾蓋茨的投資。

與此同時(shí),電池公司也在想辦法減少鈷的用量。松下汽車業(yè)務(wù)主管YoshioIto上個(gè)月在東京接受采訪時(shí)就表示,公司致力于在未來2-3年內(nèi)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(shí)現(xiàn)鈷材料零用量的目標(biāo)?！?/p>

多數(shù)汽車廠商也都在行動(dòng),它們想用更多的鎳來替代鈷,并以此減少四分之三的鈷用量,未來幾年內(nèi)這些改進(jìn)型鋰電池就會(huì)逐步登陸市場(chǎng)。

卡耐基梅隆大學(xué)教授VenkatViswanathan表示,液態(tài)電解質(zhì)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(shí)可行的解決方案。

不過,即使找到了制造低鈷電池的方法,電動(dòng)汽車需求的增長(zhǎng)還是會(huì)抵消技術(shù)人員的努力,預(yù)計(jì)到2025年鈷的需求量還是會(huì)翻番。“完全不用鈷很困難,而低用量是可行的?！盫iswanathan說。

在Zimmerman看來,所謂的低鈷電池也有自己的煩惱,因?yàn)樗€是有很高的起火風(fēng)險(xiǎn),必須搭配昂貴的監(jiān)控技術(shù)使用。

他還專門放了一段研究視頻,視頻中一些釘子扎在了低鈷電池的陰極(依然采用液態(tài)電解質(zhì)),隨后電池就冒煙起火了。電池起火后還會(huì)釋放有毒氣體,想滅掉還得穿上專用防毒服裝?！皬母旧蟻碚f它就不安全?！彼f。

“鈷的價(jià)格很貴,而且它們大多來自剛果金的血汗工廠,因此大家都在極力減少鈷的用量?！盳immerman補(bǔ)充道?！安贿^,如果鈷用少了,正極的電壓就會(huì)升高,現(xiàn)有技術(shù)下的液態(tài)電解質(zhì)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(jīng)經(jīng)過測(cè)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(xiàng)技術(shù)盡快落地。如果成功,這種材料幾年之內(nèi)就能殺入電池的供應(yīng)鏈并成為電動(dòng)汽車標(biāo)配。

為互聯(lián)網(wǎng)的誕生貢獻(xiàn)了不少代碼還創(chuàng)立了SunMicrosystems的創(chuàng)始人BillJoy則認(rèn)為,這樣的技術(shù)對(duì)解決氣候變化也相當(dāng)重要?，F(xiàn)在的電池材料組合“確實(shí)已經(jīng)到了極限”。

“索尼確實(shí)對(duì)鋰電池的應(yīng)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,剛果金的鈷可不夠?qū)⑷澜珉妱?dòng)化?！盝oy說道。