鉅大LARGE | 點擊量：333次 | 2022年11月03日
電動汽車廠商的焦慮和依賴是什么？
在離波士頓1小時車程的工業(yè)園區(qū)實驗室中，塔夫茨大學(xué)（Tufts）教授MichaelZimmerman正滿懷希望的測試一種新材料，他希望這種誕生于地下室的新材料能解決電動汽車行業(yè)面臨的一場危機，而現(xiàn)在整個產(chǎn)業(yè)的未來都壓在了世界上最貧窮且最不穩(wěn)定的國家——剛果金身上。
電動汽車廠商的焦慮和依賴
除了平時給學(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助力汽車行業(yè)擺脫用了一個世紀的內(nèi)燃機，盡快完成電動化。
說到這里，我們就不得不提鈷（cobalt）這種銀灰色金屬，它是制造電池時必備的材料。不過，地球上鈷儲量的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IonicMaterials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算機科學(xué)家BillJoy，還有雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟、現(xiàn)代汽車和法國石油巨頭道達爾等。
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“這世界需要電動汽車。”Zimmerman說?！拔疫€從來沒見過哪個體量巨大的產(chǎn)業(yè)要從底層進行大革新，徹底轉(zhuǎn)換到新技術(shù)軌道上。除了公司自己的內(nèi)生動力，各國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現(xiàn)有電池技術(shù)的焦慮和它們對剛果金的依賴。
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，童工問題在這個國家根本無人過問。
換句話來說，這個寄托著新希望的技術(shù)，當(dāng)下卻嚴重依賴那種老舊的工業(yè)形式，這種上下脫節(jié)的局面實在是令人詫異。
對電池來說，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)動我們的iPhone和筆記本電腦，還會帶著我們周游世界。沒有足夠強大的電池，這個世界就難以從“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，想實現(xiàn)性能要求更是需要精確的化學(xué)反應(yīng)。同時，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步。對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)鈷的需求量至少會翻番，其中70%都要從剛果金購買。喬治亞理工學(xué)院材料和工程學(xué)院教授GlebYushin直接指出：所謂電動汽車市場的爆發(fā)性增長很難實現(xiàn)，除非電池技術(shù)出現(xiàn)大的突破。
“沒有剛果金的鈷，就沒有電動汽車產(chǎn)業(yè)。”CasparRawles說道，他是BenchmarkMineralIntelligence公司的市場調(diào)查員。“如果剛果金局勢不穩(wěn)，電動汽車市場大爆發(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)時電動汽車在市場上的聲量還很小，特斯拉也剛剛走紅。在那個時代，鈷這種特殊金屬一般只用在飛機引擎和智能手機上。
隨著各國環(huán)保法案的逐漸收緊，電動汽車開始吃香，2010年時純電和插電混動車型一共只賣出了6000臺，到去年這一數(shù)字就暴增到100萬臺，不過依然只占到全球汽車銷量的1%。
麥肯錫認為，2030年之前，全球還會生產(chǎn)并銷售3.4億臺電動汽車（包括乘用車、卡車和公交車等）。
如此龐大的市場也讓電池工廠在各地全面開花。BenchmarkMineralIntelligence的數(shù)據(jù)顯示，特斯拉超級工廠的電池產(chǎn)能在過去8年內(nèi)增長了10倍，每年生產(chǎn)的電池可達41千兆瓦時。也就是說，電池會成為“21世紀的油桶”。
雖然業(yè)界都在期盼新型電池技術(shù)的誕生，但傳統(tǒng)的鋰離子電池功績也不可磨滅。這種電池誕生于上世紀80年代的牛津大學(xué)，發(fā)明它的美國教授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汽車的標配。
不過，1991年索尼順利幫助鋰離子電池落地后，這項技術(shù)一直都沒有大的改進。Zimmerman相信，現(xiàn)在驅(qū)動全人類生活的鋰電池已經(jīng)觸到了天花板?！罢l不想讓手機待機長點，而且沒有爆炸的危險？”他說?！霸谖铱磥?，鋰離子電池已經(jīng)走進了死胡同，在現(xiàn)在的技術(shù)條件下，它幾乎已經(jīng)沒有改進空間了?！?/p>
電池組主要由四大部分組成：正極和負極、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，鋰離子會流向正極，產(chǎn)生電流。當(dāng)電池充電時，鋰離子則會返回負極，而負極一般由石墨制成。
那么如果沒有鈷呢？后果很嚴重。
鈷的存在可防止電池過熱，同時它也是電池穩(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，電動汽車價格多年降不下來就是因為鈷。
倫敦經(jīng)濟和投資銀行Liberum的分析師指出，一公斤的電池正極材料中，鈷價值12美元，而鋰這種電池“冠名”材料其實才值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。雖然美國愛達荷、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將精力投向了一個開發(fā)程度相對較低的領(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，電池安全性會大幅提升，重量也會降低（現(xiàn)在的電動汽車甚至要扛著600公斤的電池組“負重前行”）。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。
著名的英國科學(xué)家MichaelFaraday其實19世紀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導(dǎo)電固體留下的位置。
“它其實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。“不過，它確實大家期待已久，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)域的資金達到4億美元。WoodMackenzie認為，到2030年固態(tài)電池就會成為電動汽車行業(yè)的主流，不過這項技術(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)?！迸＝虼髮W(xué)材料系教授PeterBruce解釋?！昂迷?，這些問題正在一點點解決中?！?/p>
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月份時它才剛剛拿到比爾蓋茨的投資。
與此同時，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上個月在東京接受采訪時就表示，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現(xiàn)鈷材料零用量的目標?！?/p>
多數(shù)汽車廠商也都在行動，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)這些改進型鋰電池就會逐步登陸市場。
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，電動汽車需求的增長還是會抵消技術(shù)人員的努力，預(yù)計到2025年鈷的需求量還是會翻番?！巴耆挥免捄芾щy，而低用量是可行的。”Viswanathan說。
在Zimmerman看來，所謂的低鈷電池也有自己的煩惱，因為它還是有很高的起火風(fēng)險，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。”Zimmerman補充道。“不過，如果鈷用少了，正極的電壓就會升高，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?！?/p>
Ionic表示，自家的聚合物材料已經(jīng)經(jīng)過測試，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)鏈并成為電動汽車標配。
為互聯(lián)網(wǎng)的誕生貢獻了不少代碼還創(chuàng)立了SunMicrosystems的創(chuàng)始人BillJoy則認為，這樣的技術(shù)對解決氣候變化也相當(dāng)重要?，F(xiàn)在的電池材料組合“確實已經(jīng)到了極限”。
“索尼確實對鋰電池的應(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澜珉妱踊??！盝oy說道。
