钴元素还能在电池里“作妖”多长时间

一个幽灵,原材料匮乏的幽灵,正在全球制造业厂商的上空飘荡。八月二十七日,据媒体报道,受重要产地民主刚果政局持续动荡的影响,全球正在陷入一场“钴焦虑”风潮当中,该风潮可能危及新能源汽车、智能手机等多种与民众生活息息相关的产品的价格。而为了摆脱这种焦虑,各公司正在疯狂投资“无钴电池”这一新兴技术,力争早日解决被钴产量“卡脖子”的尴尬现状。从特斯拉、宝马等汽车名企到苹果、三星等智能手机巨头,为何都会被一种小小的元素困扰呢?

被叫做“妖怪”的钴元素

时光倒回几百年前。德国萨克森州有一个规模很大的矿床开采中心,大批的矿工聚集在矿井口,与矿主对峙。虽然早已过了上工的时间,但所有矿工都拒绝下井,矿工们信誓旦旦而又不无惊恐地向矿主描述说,矿里有一种发着幽蓝光亮的奇异石头,而这些石头里住着一个妖怪,它会让所有下井的人染上怪病。这件怪事一传十十传百,引起了矿物学家阿格里科拉的注意,他在著作里将这种“作妖”的矿物命名为kobalt,德语中的意识就是“妖怪”。

1753年,瑞典化学家格·布兰特(G.Brandt)从该矿中分离出浅玫色的灰色金属,这是纯度较高的金属钴,并沿用德语“kobalt”的拉丁文音译,将它命名为“Cobatlum”,也就是钴。这时人们才搞清楚,阿格里科拉所说的妖怪矿物是辉钴矿(CoAsS),其实该矿中的重要成分钴元素倒对人体没有显著危害,但辉钴矿在强压或加热下反应出现的硫化物和砷化物都有剧毒。如此看来,钴其实是在替伴生的硫和砷“背锅”,这个“妖怪元素”叫得实在冤枉。

不过,虽然名为妖怪,钴元素自古至今一直在为人类造福。由于钴的很多化合物呈现一种大自然中极为少见的天蓝色,古希腊人和古罗马人曾经利用它制造出美丽的蓝色玻璃,我国唐朝彩色瓷器上的蓝色也是钴的杰作。

进入20世纪,钴及其合金在多个工业领域得到使用。但钴真正成为掐住现代工业命门的关键元素是在1980年,这一年,美国化学家约翰·古迪纳夫发明了钴酸锂离子电池。这一发明被后世认为“开启了整整一个时代”,因为在此之前,无论是伏打电池、铅酸蓄电池还是钠硫电池,几乎所有类型的蓄电池都因为储能少、不稳定为人所诟病。电力驱动机械的能源瓶颈迟迟无法突破。但古迪纳夫的钴酸锂离子电池完美突破了这一瓶颈。以该电池为能源核心的产业迎来了一波爆发性的上升。

今天,你手里拿的智能手机、用的笔记本电脑、充电宝,乘坐的电动汽车都离不开钴酸锂离子电池或它的改良版,钴元素在其中扮演着不可或缺的“点金手”角色。

对防止电池过热不可或缺

钴元素,这个曾经的“妖怪”,如今却如此深刻地塑造了我们的生活。然而,当今人类对这种元素却是又爱又恨,原因是它在造福人类的同时,依然在“作妖”。

说钴“作妖”,是因为这种元素在地表的分布实在太集中了——全球而言,钴资源的总储量大概在700万吨左右,但竟然有三分之二集中在民主刚果这一个国家。而全球钴产量二到五位的澳大利亚、加拿大、菲律宾和古巴四个国家的储量加起来,和民主刚果几个省的钴产量相当!

民主刚果,一个面积234.5万平方公里的不大不小的国家,钴怎么都跑到这里了呢?据地质学家们分析,地壳中的钴含量原本极为稀少,当今世界绝大多数的钴,可能都来源于亿万年前一个富含钴元素的小行星的撞击。这颗“钴星”的天地大冲撞,在非洲地表上砸出了刚果盆地,也把绝大多数的钴都留在了那里——我们真应该感谢这次大冲撞,没有它送来的钴,你一定用不上iPhone,因为里面的钴将比金子还贵,智能手机的价格将是个天价,你卖肾也买不起。

在很多专家看来,电池将在本世纪占据绝对优势,就像石油在上世纪那样,电池为我们每天的数字生活供应动力。若没有电池,全球将更难戒除化石燃料之瘾,并限制气候变化的影响。

这就说到了为何钴这种元素在电池制造中这么重要。这是因为钴关于防止电池过热是不可或缺的,它可以带给电池材料稳定性,还让用户得以在很多年里为汽车充电和放电。但它也是最昂贵的金属之一,这阻碍了汽车制造商降低电动汽车成本、与汽油动力汽车竞争的能力。

新电池何时才能“无钴”

然而,在越来越要钴的当下,如今的民主刚果政局却越来越不让人省心。去年,由于局势动荡,民主刚果钴矿产量下降,从去年年初到现在,伦敦金属交易所中的钴价从每吨3.2万美元涨至八月初的6.6万美元,尽管价格高涨,供应却未增反降,2017年全球矿山钴产量从2016年的11.63万吨降至11.51万吨,民主刚果更是在今年将钴列为“战略资源”,将矿产税提高了整整一倍。钴矿的减产直接导致智能手机厂商苹果、三星以及电动汽车厂商特斯拉等公司陷入经营困境。

实际上,即使民主刚果不出现动荡,钴的生产速度依旧赶不上需求。数据显示,一块电动汽车电池用掉约10公斤钴,此外,一部iPhone中也含有大约8克这种金属。随着新能源时代的到来,钴必然面对供不应求的局面。标普全球市场研究预计到2020年,光是用于电池的化学钴的供需缺口就达1.2万吨,钴的匮乏,已经成为制约人类技术进一步普及和发展的瓶颈。

那么,能不能研发一种无钴或少钴的电池?这方面许多大公司不是没想过招,但到目前为止该技术还不成熟——还记得2016年三星推出的那款经常爆炸的note7手机吗?其电池之所以经常爆炸,原因就在于三星研发人员在技术条件尚不成熟的条件下,贸然减少了钴元素的含量。其结果是被这种“妖怪”元素狠狠地耍了一把。

当然,在瓶颈越缩越紧的当下,少钴和无钴电池的研发依然在加速。今年五月末,特斯拉的电池供应商日本松下高调宣布将研发无钴汽车电池,而特斯拉公司自身也在随后宣布将共同参与该计划,以便早日突破技术瓶颈。

今年七月,特斯拉供应商松下汽车业务负责人伊藤佳雄在东京称,该公司计划在两三年后降低特斯拉电动汽车的钴使用量。特斯拉表示,该公司“力求在不久的将来实现钴使用量接近零”。而多数汽车制造商正转向采用更多镍,同时减少钴使用量多达75%的电池。未来几年,预计这些产品的市场份额将会提高。

另外,“离子材料”也是有希望商业化的下一个电池研究新方向。美国卡内基梅隆大学教授文卡特·维斯瓦纳坦表示,可以利用液体电解质的化学特性来减少钴使用量。他表示,“‘离子材料’代表着一条生产低钴阴极的路径,但很多电池制造商正在探索液体电解质路径,而且找到了可行的解决方法。”

除此之外,本田、宝马、苹果等多家公司也都有自己的“无钴电池”计划,或者降低各自的钴使用量。也许在不远的将来,在众多大公司的砸钱研发下,人类真能突破这一严重困扰新技术发展的资源瓶颈。

结尾再跟大家分享个正能量满满的消息,钴酸锂离子电池的发明者古迪纳夫教授虽然已经年过九旬,但却依然带着一支小型科研团队,立誓研发无钴电池。这位参加过二战的老科学家说:“我的使命是要努力一试,看看自己能否在有生之年彻底改变现有电池技术。等完成了,再进养老院也不迟。”