焦虑与依赖：电动汽车的未来真的会被“钴”卡住脖子吗?

在离波士顿1小时车程的工业园区实验室中,塔夫茨大学(Tufts)教授MichaelZimmerman正满怀希望的测试一种新材料,他希望这种诞生于地下室的新材料能解决电动汽车行业面临的一场危机,而现在整个产业的未来都压在了世界上最贫穷且最不稳定的国家——刚果金身上

电动汽车厂商的焦虑和依赖

除了平时给学生上课,Zimmerman还创办了一家新创公司IonicMaterials,这家公司的电池材料可能会助力汽车行业摆脱用了一个世纪的内燃机,尽快完成电动化。

说到这里,我们就不得不提钴(cobalt)这种银灰色金属,它是制造电池时必备的材料。不过,地球上钴储量的60%都分布在刚果金。Zimmerman希望改变这一现状,用新技术造出不用钴的新一代电池。

现在的Ionic Materials已经是一家炙手可热的公司,它的投资者名单上不但有著名计算机科学家BillJoy,还有雷诺-日产-三菱联盟、现代汽车和法国石油巨头道达尔等。

“这世界需要电动汽车。”Zimmerman说。“我还从来没见过哪个体量巨大的产业要从底层进行大革新,彻底转换到新技术轨道上。除了公司自己的内生动力,各国政府也成了重要推手。”

Ionic的金主清单也反映了汽车厂商们对现有电池技术的焦虑和它们对刚果金的依赖。

眼下,钴的供应把持在几家矿业公司手中,其中就包括瑞士巨头嘉能可公司。人权组织表示,除了这些“先进产能”,还有许多钴是刚果人手工挖出来的,童工问题在这个国家根本无人过问。

换句话来说,这个寄托着新希望的技术,当下却严重依赖那种老旧的工业形式,这种上下脱节的局面实在是令人诧异。

对电池来说,钴到底有多重要?

在许多专家看来,电池将成为本世纪能源产业的新霸主,就像过去的石油那样。

未来,电池除了驱动我们的iPhone和笔记本电脑,还会带着我们周游世界。没有足够强大的电池,这个世界就难以从“化石燃料成瘾”的状态中解放出来,缓解气候变化也就成了一句空话。

不过,电池的生产过程相当复杂,想实现性能要求更是需要精确的化学反应。同时,用户的期望值也不断提高,电池必须得在充电速度、续航和安全等方面不断进步。对于一些生活在极寒或酷热地区的人来说,电池在极端环境下的表现也相当重要。

如果电池技术再不变革,未来十年内钴的需求量至少会翻番,其中70%都要从刚果金购买。乔治亚理工学院材料和工程学院教授GlebYushin直接指出:所谓电动汽车市场的爆发性增长很难实现,除非电池技术出现大的突破。

“没有刚果金的钴,就没有电动汽车产业。”CasparRawles说道,他是Benchmark MineralIntelligence公司的市场调查员。“如果刚果金局势不稳,电动汽车市场大爆发就是句空话。”

Zimmerman从五六年前就开始思考有关电池的问题,当时电动汽车在市场上的声量还很小,特斯拉也刚刚走红。在那个时代,钴这种特殊金属一般只用在飞机引擎和智能手机上。

随着各国环保法案的逐渐收紧,电动汽车开始吃香,2010年时纯电和插电混动车型一共只卖出了6000台,到去年这一数字就暴增到100万台,不过依然只占到全球汽车销量的1%。

麦肯锡认为,2030年之前,全球还会生产并销售3.4亿台电动汽车(包括乘用车、卡车和公交车等)。

如此庞大的市场也让电池工厂在各地全面开花。BenchmarkMineralIntelligence的数据显示,特斯拉超级工厂的电池产能在过去8年内增长了10倍,每年生产的电池可达41千兆瓦时。也就是说,电池会成为“21世纪的油桶”。

虽然业界都在期盼新型电池技术的诞生,但传统的锂离子电池功绩也不可磨灭。这种电池诞生于上世纪80年代的牛津大学,发明它的美国教授JohnGoodenough现在已经96岁了。不

得不说,锂离子电池是20世纪科学技术的高峰,它是便携电子设备得以大规模普及的基础,因此也顺理成章成了电动汽车的标配。

不过,1991年索尼顺利帮助锂离子电池落地后,这项技术一直都没有大的改进。Zimmerman相信,现在驱动全人类生活的锂电池已经触到了天花板。“谁不想让手机待机长点,而且没有爆炸的危险?”他说。“在我看来,锂离子电池已经走进了死胡同,在现在的技术条件下,它几乎已经没有改进空间了。”

电池组主要由四大部分组成:正极和负极、液态电解质和分离器。

正极被包裹在精心处理的金属氧化物泥浆中,主要用到了锂、钴、镍和锰四种金属。当电池放电时,锂离子会流向正极,产生电流。当电池充电时,锂离子则会返回负极,而负极一般由石墨制成。

那么如果没有钴呢?后果很严重。

钴的存在可防止电池过热,同时它也是电池稳定性的定海神针,没有钴的电池根本不可能安全充放多年。当然,它也是电池所用金属材料中最为昂贵的,电动汽车价格多年降不下来就是因为钴。

伦敦经济和投资银行Liberum的分析师指出,一公斤的电池正极材料中,钴价值12美元,而锂这种电池“冠名”材料其实才值8美元,另一种材料镍则只有5美元。

电池中用到的金属占了整体成本的四分之一。虽然美国爱达荷、阿拉斯加和澳大利亚都发现了新的钴矿,但它们投入生产要到2020年之后。

少用钴还是彻底剔除钴?

于是,身为材料科学家的Zimmerman将精力投向了一个开发程度相对较低的领域——电解质,虽然在传统锂电池中它们是起火的元凶。

在他看来,如果将现在使用的液态电解质换成固态的,电池安全性会大幅提升,重量也会降低(现在的电动汽车甚至要扛着600公斤的电池组“负重前行”)。最关键的是,这能减少钴的用量,甚至彻底从工艺方程式中剔除这一金属。

著名的英国科学家MichaelFaraday其实19世纪30年代就发现世界上第一种导电固体了,不过在电池中它却始终不能正常工作(室温环境下)。

Zimmerman经过不懈的努力,开发出了一种聚合物材料来填补导电固体留下的位置。

“它其实看起来就像一卷平凡无奇的塑料,而且塑料上都是孔。”一直在寻找固态电池解决方案的Joy说道。“不过,它确实大家期待已久,真正有可行性的新技术。”

咨询公司WoodMackenzie的数据显示,丰田、奔驰等汽车巨头和戴森集团都在研发固态电池(Zimmerman也算是固态电池的一种),今年上半年投在该领域的资金达到4亿美元。WoodMackenzie认为,到2030年固态电池就会成为电动汽车行业的主流,不过这项技术恐怕要到2025年才能真正落地。

“纯固态电池的商用还面临一大堆挑战。”牛津大学材料系教授PeterBruce解释。“好在,这些问题正在一点点解决中。”

Ionic是一系列想要取得电池技术大突破的新创公司之一,不过想从电池行业脱颖而出可不容易,匹兹堡的盐水电池公司AquionEnergy就宣告破产,而去年3月份时它才刚刚拿到比尔盖茨的投资。

与此同时,电池公司也在想办法减少钴的用量。松下汽车业务主管YoshioIto上个月在东京接受采访时就表示,公司致力于在未来2-3年内减少特斯拉电池中钴的用量。特斯拉也曾表示,“公司希望在不久的将来实现钴材料零用量的目标。”

多数汽车厂商也都在行动,它们想用更多的镍来替代钴,并以此减少四分之三的钴用量,未来几年内这些改进型锂电池就会逐步登陆市场。

卡耐基梅隆大学教授VenkatViswanathan表示,液态电解质的极限还没到来,除了Ionic的方法,许多电池厂商也在这条路上找到了切实可行的解决方案。

不过,即使找到了制造低钴电池的方法,电动汽车需求的增长还是会抵消技术人员的努力,预计到2025年钴的需求量还是会翻番。“完全不用钴很困难,而低用量是可行的。”Viswanathan说。

在Zimmerman看来,所谓的低钴电池也有自己的烦恼,因为它还是有很高的起火风险,必须搭配昂贵的监控技术使用。

他还专门放了一段研究视频,视频中一些钉子扎在了低钴电池的阴极(依然采用液态电解质),随后电池就冒烟起火了。电池起火后还会释放有毒气体,想灭掉还得穿上专用防毒服装。“从根本上来说它就不安全。”他说。

“钴的价格很贵,而且它们大多来自刚果金的血汗工厂,因此大家都在极力减少钴的用量。”Zimmerman补充道。“不过,如果钴用少了,正极的电压就会升高,现有技术下的液态电解质无法在这样的高电压下工作,而我们的聚合物材料能。”

Ionic表示,自家的聚合物材料已经经过测试,无论正极有没有钴都能通过,它们正在与其他厂商合作,试图让这项技术尽快落地。如果成功,这种材料几年之内就能杀入电池的供应链并成为电动汽车标配。

为互联网的诞生贡献了不少代码还创立了SunMicrosystems的创始人BillJoy则认为,这样的技术对解决气候变化也相当重要。现在的电池材料组合“确实已经到了极限”。

“索尼确实对锂电池的应用功不可没,不过它们却抛弃了安全、成本,还有本就不够丰富的钴,刚果金的钴可不够将全世界电动化。”Joy说道。