錳：電動汽車進(jìn)軍大眾市場背后的秘密

編譯 許林玉

大多數(shù)汽車制造商都渴望向全世界推銷電動汽車，但他們卻面臨全球變暖時代的挑戰(zhàn)：電池以及制造電池所需的原材料供應(yīng)都十分緊張。

元素周期表上的第25號元素——錳——在地球儲量豐富，特斯拉和大眾等汽車制造商將其視為制造電池的新金屬材料，主流客戶可能不會再對電池和電動汽車的價格望而生畏。

盡管第一款（也是唯一一款）使用高錳電池的電動汽車——于2011年推出的日產(chǎn)聆風(fēng)——其市場表現(xiàn)并不盡如人意，但隨著該行業(yè)對電池的需求越來越大，經(jīng)改良的高錳電池也可在汽車市場占據(jù)一席之地，也許還可作為磷酸鋰鐵電池與頂級豪車和高性能車型中的高鎳電池之間的中等價位選擇。

埃隆?馬斯克（Elon Musk）在柏林特斯拉超級工廠開工儀式上的一番言論再次引發(fā)轟動。當(dāng)被問及對石墨烯電池的看法時，馬斯克反駁說：“我認(rèn)為錳具有很大的潛力。”

關(guān)于原礦，他強(qiáng)調(diào)，行業(yè)目前正在擺脫對鈷和鎳的依賴?！拔覀冏罱K需要數(shù)千萬噸，甚至數(shù)億噸原材料。因此，用于生產(chǎn)這些電池的材料必須是常見的材料，否則就無法擴(kuò)大規(guī)模?！?/p>

2022年3月，大眾汽車對“動力日”（Power Day）進(jìn)行了直播，這似乎是在向特斯拉的“電池日”致敬。在活動中，大眾首席執(zhí)行官赫伯特?迪斯（Herbert Diess）宣布，到2030年，大眾汽車將在歐洲建造六座超級工廠，總產(chǎn)能達(dá)到240千兆瓦時。大眾汽車已經(jīng)在美國和中國建立了電動汽車工廠。盡管大眾汽車在歐洲的電動汽車銷量超過了特斯拉，但它仍面臨著來自特斯拉的巨大競爭壓力。而在中國電動汽車市場，大眾汽車同樣表現(xiàn)不佳。因此，這個全球巨頭決心將入門級車型的電池成本降低一半，并將中價位車的成本降低30%。

在德國EnBW電動汽車快速充電站，一名男子正將電動充電器插入一輛紅色汽車的后部，此時附近還有其他電動汽車在充電

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，大眾汽車推出了多功能“統(tǒng)一電池”，可以在標(biāo)準(zhǔn)化的棱鏡設(shè)計中使用多種化學(xué)物質(zhì)。迪斯介紹，大眾汽車公司大約80%的新型棱鏡電池將不再使用昂貴的鎳和鈷，而采用價格更便宜、儲量更豐富的錳等陰極材料。

大眾轉(zhuǎn)而自己生產(chǎn)棱鏡電池的激進(jìn)戰(zhàn)略，讓其目前的袋式電池供應(yīng)商韓國LG能源解決方案公司和SK創(chuàng)新公司感到出乎意料，而大眾所生產(chǎn)的棱鏡電池的規(guī)格與其供應(yīng)商——寧德時代（CATL）——生產(chǎn)的棱鏡電池相同。

那么，為什么要不停地對設(shè)計和陰極材料進(jìn)行調(diào)整呢？又為什么選擇錳？這一切都源于馬斯克和其他專家所說的加速電動汽車革命的潛在限制因素：電池生產(chǎn)和原材料開采加工速度滯后。

馬斯克在柏林表示，只有當(dāng)全球電池年產(chǎn)量達(dá)到300太瓦時，才能完全從化石燃料汽車過渡到電動汽車。即使特斯拉已經(jīng)在大規(guī)模擴(kuò)大產(chǎn)能，這一目標(biāo)也是特斯拉2030年產(chǎn)能的100倍。盡管高鎳電池的能量密度和性能目前無可匹敵，但僅靠高鎳電池?zé)o法實現(xiàn)這一點。我們需要其他的材料，而且要有品類繁多、供應(yīng)不斷的渠道，即使由此生產(chǎn)的電池和當(dāng)前電動汽車青睞有加的錳或磷酸鋰鐵電池一樣，需要犧牲部分性能。

阿貢儲能科學(xué)合作中心負(fù)責(zé)人文卡特?斯里尼維桑（Venkat Srinivisan）表示：“電池中含有更多的礦物質(zhì)是一件好事。”

作為一種陰極材料，錳不但儲量豐富，而且安全穩(wěn)定。但它的能量密度或生命周期與高鎳電池相差甚遠(yuǎn)，斯里尼維桑說道。早期日產(chǎn)聆風(fēng)的購買者可能會同意這一說法。2011年，由于沒有供應(yīng)商愿意或能夠大規(guī)模地提供電池，日產(chǎn)汽車被迫采用分子攀登架式的“尖晶石”設(shè)計制造鋰錳氧化物電池。這些電池組能量不足，僅為24千瓦時，只能支撐汽車行駛117千米。這種微不足道的存儲空間和急劇下降的續(xù)航能力，都會讓客戶欲哭無淚，尤其是在美國西南部和其他氣候炎熱地區(qū)。2014年，采用改性的錳生產(chǎn)的“蜥蜴”電池將容量提高到40千瓦時，但其使用壽命仍然很短。

斯里尼維桑表示，在美國的電動汽車發(fā)展歷程中，對動力和行駛里程的追求一向永無止境，而這需要能量極高的電池。鈷通常是鎳和銅在開采時的副產(chǎn)品，也是最昂貴的電池原材料之一。鈷主要來自剛果民主共和國，但由于該國涉及礦山童工問題和其他侵犯人權(quán)的行為，因此低鈷電池成為一貫的應(yīng)對舉措。

斯里尼維桑說：“大家都在考慮鎳和鈷的替代品，以及如何回收這些材料?！?/p>

通用汽車和LG能源解決方案公司生產(chǎn)的Ultium袋式電池為鎳鈷錳鋁四元電池，其中的鈷含量減少了70%以上。該電池為雙夾層式電池，能量達(dá)200千瓦時，是特斯拉最大電池儲能的兩倍。采用該電池，全新三電機(jī)驅(qū)動悍馬的續(xù)航里程可達(dá)529千米，功率達(dá)1 000馬力，在特定駕駛模式下3秒便可加速到97千米/小時。迄今為止，這是安裝在電動汽車上的最大電池，其重量達(dá)1 315千克，而悍馬的整體質(zhì)量為4 082千克。（隨著通用汽車在底特律大規(guī)模生產(chǎn)該車型，電池可能會出現(xiàn)短缺。）

與特斯拉最好的電池一樣，通用汽車的電池只使用少量的錳來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而不是作為其主要的陰極材料。

根據(jù)全球材料和回收公司Umicore的數(shù)據(jù)顯示，錳在開采出來后，超過90%被用于生產(chǎn)鐵和不銹鋼，只有不到1%被用于生產(chǎn)電池。

另外一個受歡迎的陰極礦物是鎳，其供應(yīng)渠道比來自剛果的鈷更加多樣化，但其來源很難不受地緣政治的影響。在2022年2月份，全球的鎳庫存就已經(jīng)逐步減少。投資者和交易商對產(chǎn)自俄羅斯的金屬可能遭到禁止或中斷感到焦慮，而俄羅斯生產(chǎn)的高純度鎳占全球產(chǎn)量的17%。3月，鎳價幾乎在一夜之間翻了一番，首次短暫超過10萬美元/噸，導(dǎo)致倫敦金屬交易所在價格瘋狂上漲期間暫停交易。

由于商品價格、政治、道德、安全、短缺、長期戰(zhàn)略和對沖等原因，電池行業(yè)正著手實施多元化戰(zhàn)略。這種解決方案如同大雜燴一般，或者至少在某位未來的諾貝爾獎得主想出完全取代鋰離子電池之前便是如此。

對于新舊迭代的汽車制造商來說，即使是鎳也在被摒棄之列，至少對于那些專注于中國市場，或?qū)Ｗ⒂谥械葍r位、更實惠的電動汽車的公司是這樣的。特斯拉、大眾、福特、中國的汽車公司以及其他汽車制造商正在迅速轉(zhuǎn)向磷酸鋰鐵化學(xué)材料，將其用于主流和商用車型。這種電池不需要鎳或鈷，只需要加入大量的鐵和磷酸鹽。馬斯克已經(jīng)確認(rèn)，入門級汽車（包括特斯拉Model 3）或能源儲存系統(tǒng)將“長期轉(zhuǎn)向”使用磷酸鋰鐵。

馬斯克和大眾汽車公司正在關(guān)注的高錳電池也將使用更少的鎳，同時不使用鈷。它們的價格似乎也并非高不可攀——根據(jù)英國羅斯基爾信息服務(wù)有限公司Roskill的分析師在動力日上引用的數(shù)據(jù)，與高鎳設(shè)計相比，鋰鎳錳氧化物材料可使陰極成本每千瓦時降低47%。正因如此，大眾公司考慮將錳作為主流車型的潛在選擇，并為保時捷、奧迪、賓利或蘭博基尼等定制高性能電池組，而磷酸鋰鐵則用于低端車輛或市場。斯里尼維桑說：“我能理解其中的邏輯，如果能讓它達(dá)到合理的能量密度，錳就會成為介于兩者之間的東西。汽車制造商可能會用體積略微加大的電池來抵消錳的較低陰極成本，以使其行駛里程接近高鎳設(shè)計?！?/p>

早在2020年，在特斯拉的電池日上，馬斯克表達(dá)了對錳的樂觀態(tài)度。他說：“如果用2/3的鎳和1/3的錳制作陰極是相對簡單的。這將使得在相同的鎳用量下，電池體積會增加50%。”

馬斯克仍在努力將特斯拉4680大圓柱電池推向市場，即使其現(xiàn)在的進(jìn)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于計劃。專家警告稱，挑戰(zhàn)技術(shù)并不是那么簡單。高錳電池尚未證明其具有商業(yè)可行性。

由于這項挑戰(zhàn)極為艱巨，汽車制造商和電池制造商在實驗室奮楫篤行，努力尋找像泥土一樣普通，而不是像黃金一樣珍貴的材料。

資料來源 IEEE Spectrum