電動(dòng)車電池：用什么替代鈷

孫德生

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Michael Zimmerman 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)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(lái)都?jí)涸诹耸澜缟献钬毟F且最不穩(wěn)定的國(guó)家——?jiǎng)偣鹕砩稀?/p>

電動(dòng)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 Ionic Materials，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(shuō)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(guò)，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Bill Joy，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(shuō)：“我還從來(lái)沒(méi)見過(guò)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。”

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。

對(duì)電池來(lái)說(shuō)鈷到底有多重要

在許多專家看來(lái)，電池將成為本世紀(jì)能源產(chǎn)業(yè)的新霸主，就像過(guò)去的石油那樣。

未來(lái)，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(méi)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(lái)，緩解氣候變化也就成了一句空話。

不過(guò)，電池的生產(chǎn)過(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)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 Gleb Yushin 直接指出：所謂電動(dòng)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(méi)有剛果金的鈷，就沒(méi)有電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)?！盋aspar Rawles說(shuō)道，他是Benchmark Mineral Intelligence 公司的市場(chǎng)調(diào)查員?！叭绻麆偣鹁謩?shì)不穩(wěn)，電動(dòng)車市場(chǎng)大爆發(fā)就是句空話。”

隨著各國(guó)環(huán)保法案的逐漸收緊，電動(dòng)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(wàn)臺(tái)，不過(guò)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。Benchmark Mineral Intelligence的數(shù)據(jù)顯示，特斯拉超級(jí)工廠的電池產(chǎn)能在過(guò)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(shuō)，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John Goodenough現(xiàn)在已經(jīng) 96 歲了。不得不說(shuō)，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(guò)，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(méi)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(shuí)不想讓手機(jī)待機(jī)長(zhǎng)點(diǎn)，而且沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)？”他說(shuō)：“在我看來(lái)，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(méi)有改進(jìn)空間了。”

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(méi)有鈷呢？后果很嚴(yán)重。

鈷的存在可防止電池過(guò)熱，同時(shí)它也是電池穩(wěn)定性的定海神針，沒(méi)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)車價(jià)格多年降不下來(lái)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(lái)，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)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 Michael Faraday 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(guò)在電池中它卻始終不能正常工作（室溫環(huán)境下）。

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

“它其實(shí)看起來(lái)就像一卷平凡無(wú)奇的塑料，而且塑料上都是孔。”一直在尋找固態(tài)電池解決方案的 Joy 說(shuō)道：“不過(guò)，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 Wood Mackenzie 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。Wood Mackenzie 認(rèn)為，到 2030 年固態(tài)電池就會(huì)成為電動(dòng)車行業(yè)的主流，不過(guò)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 Peter Bruce 解釋：“好在，這些問(wèn)題正在一點(diǎn)點(diǎn)解決中?！?/p>

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 Yoshio Ito 上個(gè)月在東京接受采訪時(shí)就表示，公司致力于在未來(lái) 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(lái)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(lái)替代鈷，并以此減少四分之三的鈷用量，未來(lái)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 Venkat Viswanathan 表示，液態(tài)電解質(zhì)的極限還沒(méi)到來(lái)，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(guò)，即使找到了制造低鈷電池的方法，電動(dòng)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?！巴耆挥免捄芾щy，而低用量是可行的。” Viswanathan 說(shuō)。

在 Zimmerman 看來(lái)，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?lái)說(shuō)它就不安全?！彼f(shuō)。

“鈷的價(jià)格很貴，而且它們大多來(lái)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：“不過(guò)，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(wú)法在這樣的高電壓下工作，而我們的聚合物材料能?！?/p>

Ionic 表示，自家的聚合物材料已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，無(wú)論正極有沒(méi)有鈷都能通過(guò)，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)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 Sun Microsystems 的創(chuàng)始人 Bill Joy 則認(rèn)為，這樣的技術(shù)對(duì)解決氣候變化也相當(dāng)重要。現(xiàn)在的電池材料組合“確實(shí)已經(jīng)到了極限”。