鋰電池的后“鈷”時(shí)代 原料價(jià)格飛漲催生電池新技術(shù)進(jìn)化

1980年，John Goodenough于牛津發(fā)明了第一塊需要鈷的鋰離子充電電池。實(shí)驗(yàn)證明，鈷的能量密度非常高，特別適合體積小卻需要大能量的電池。Goodenough通過(guò)加熱前導(dǎo)部分的方式，自己來(lái)提煉鈷。

今天，大多數(shù)商用鋰離子電池都采用了鈷，但是它造價(jià)昂貴。為此，它衍生出了黑色的利益鏈條：很長(zhǎng)一段時(shí)間，在剛果共和國(guó)存在著侵犯人權(quán)的情況，包括雇傭童工采礦的行為。電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)公司不愿支付大價(jià)錢(qián)用于制造生產(chǎn)，亦不愿意參與當(dāng)?shù)氐膶?duì)人權(quán)剝削的行動(dòng)，所以他們逐漸減少電池中鈷的使用量。特斯拉的電池供應(yīng)商松下公司在上月底宣布，他們正在開(kāi)發(fā)不需要鈷的電池。已經(jīng)研發(fā)出無(wú)鈷電池的Goodenough等研究人員也在給松下公司提供幫助。

電池有一個(gè)負(fù)極材料，通常是石墨，以及一個(gè)正極材料，由鋰，鈷和氧組成的合成物。在電動(dòng)汽車(chē)的電池組中，負(fù)極材料部分往往含有比電子產(chǎn)品更多的鎳成分，這雖然減少了鈷的使用，但卻帶來(lái)了更高的處理成本而且更容易在飛機(jī)上引起火災(zāi)——例如三星Note7中的那塊電池。相比之下，鈷原子外軌上的電子是成對(duì)分布的，這意味著它小而致密，并且容易形成層狀。

但包括Goodenough在內(nèi)的新一代電池研究人員正在轉(zhuǎn)向?qū)﹀i和鐵等材料的研究。不同于層狀結(jié)構(gòu)，這些元素會(huì)形成一種“巖鹽”(rocksalt)結(jié)構(gòu)。含有巖鹽的負(fù)極已經(jīng)在某些裝置中被使用，但目前巖鹽結(jié)構(gòu)還沒(méi)有具有與鈷或鎳相同的高能量密度。

研究人員和公司已準(zhǔn)備好替代方案。“因?yàn)殁挼膬r(jià)格昂貴，所以公司盡量不去在電池制造中使用它”，德克薩斯大學(xué)工程教授的Goodenough這樣說(shuō)道。在過(guò)去的兩年中，鈷的價(jià)格翻了兩番?，F(xiàn)階段，便攜式電子設(shè)備使用了市場(chǎng)上的大部分鈷，而未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池組對(duì)于鈷的需求量將比手機(jī)高出近1000倍。隨著全球氣候變暖，越來(lái)越多的人正在將內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)更換成電動(dòng)汽車(chē)。雖然這對(duì)地球來(lái)說(shuō)是件好事，但著實(shí)推高了鈷的價(jià)格。

鈷是鎳和銅等其他金屬生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品，但它也以自身的形式存在于地殼中，主要分布在剛果民主共和國(guó)的礦山處。2016年，媒體對(duì)過(guò)去不透明的鈷供應(yīng)鏈進(jìn)行了調(diào)查，揭露了雇傭童工和缺乏必要開(kāi)采設(shè)備的情況。

誠(chéng)然，也有其它的方式來(lái)避免危險(xiǎn)開(kāi)采的情況：回收利用鈷。但是，因?yàn)殇囯x子電池的壽命很長(zhǎng)，且人們對(duì)電子產(chǎn)品需求會(huì)越來(lái)越高，所以在未來(lái)10年購(gòu)買(mǎi)鋰離子電池的人會(huì)顯著增加，來(lái)自麻省理工學(xué)院的能源研究專(zhuān)家Elsa Olivetti表示。去年十月，她發(fā)表了一篇文章，得出的結(jié)論是鈷的供應(yīng)將迅速增長(zhǎng)，以滿(mǎn)足未來(lái)幾年的需求，特別是隨著電動(dòng)汽車(chē)的興起。盡管針對(duì)新負(fù)極材料的研發(fā)和過(guò)去八個(gè)月鈷元素的開(kāi)源取得進(jìn)展，她仍然寫(xiě)道：“目前來(lái)看，鈷類(lèi)電極依然有存在且被研究的價(jià)值。但人們已經(jīng)開(kāi)始逐漸減少對(duì)于鈷元素的使用”，用磷和鐵等穩(wěn)定的、能量密集的金屬來(lái)制造電池負(fù)極將是未來(lái)的趨勢(shì)。

除了分層狀和巖鹽結(jié)構(gòu)的電池之外，研究人員正在研發(fā)固態(tài)電池。這類(lèi)電池可能需要更多的鋰，但不一定是鈷，并且比現(xiàn)有的鋰離子電池要安全得多。寶馬、豐田、和本田等汽車(chē)公司正在研究這些電池，但Olivetti認(rèn)為該技術(shù)不會(huì)滿(mǎn)足2025年的市場(chǎng)需求。在此之前，公司將嘗試減少含鈷電池的使用。蘋(píng)果和三星等公司已加入Responsible CobaltInitiative計(jì)劃，承諾改善在鈷的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染和惡劣社會(huì)影響。最近，蘋(píng)果公司已經(jīng)開(kāi)始直接從礦工處購(gòu)買(mǎi)鈷元素，以確保鈷供應(yīng)商的生產(chǎn)安全條件達(dá)到行業(yè)要求水平。

96歲高齡的Goodenough依然考慮著鈷的應(yīng)用。盡管他已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一塊不需要鈷的電池，他仍然不認(rèn)為使用鈷的鋰電池會(huì)從此退出歷史舞臺(tái)。盡管生產(chǎn)成本高昂，他早年設(shè)計(jì)的鋰電池依然有著非常不錯(cuò)的應(yīng)用潛力。