電池生產(chǎn)及原材料的開采加工

這種豐富的過渡金屬可能實(shí)現(xiàn)全球主流汽車的電氣化。

很多汽車生產(chǎn)商都在迫不及待地向全世界推銷電動(dòng)汽車，但他們面臨的挑戰(zhàn)可能會(huì)導(dǎo)致工程師的創(chuàng)新成果付之東流，因?yàn)殡姵睾秃虾醯赖碌碾姵厣a(chǎn)原材料供應(yīng)極其緊張。

特斯拉和大眾汽車等汽車生產(chǎn)商認(rèn)為可將儲(chǔ)量豐富、元素周期表上的第25號(hào)元素錳（位于鉻和鐵之間）作為制造電池的最新金屬材料，生產(chǎn)主流買家能夠負(fù)擔(dān)得起的電動(dòng)汽車。

2010年新出的日產(chǎn)聆風(fēng)是第一輛（也是至今為止，唯一的一輛）使用高錳電池的電動(dòng)汽車，盡管其歷程令人沮喪，但行業(yè)對(duì)電池“來者不拒”，改進(jìn)后的高錳電池也許能有一席之地，比如它的價(jià)格中等，或許可作為富鎳電池和為奢侈品牌汽車及高性能汽車提供動(dòng)力的磷酸鐵鋰電池之間的選擇。

2022年3月，在特斯拉柏林格蘭登堡超級(jí)工廠的開業(yè)典禮上，當(dāng)被問到對(duì)電池中的石墨烯的看法時(shí)，埃隆?馬斯克的反應(yīng)引起了轟動(dòng)，他說：“我認(rèn)為錳基電池很有潛力?！?/p>

在原材料方面，馬斯克強(qiáng)調(diào)正在持續(xù)發(fā)展的行業(yè)將從鈷轉(zhuǎn)向鎳：“我們需要幾千萬噸，最終甚至可能需要幾億噸材料。因此用于生產(chǎn)電池的材料必需是普通材料，否則無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。”

2021年3月，大眾汽車公布了多用途“標(biāo)準(zhǔn)電芯”，這是2030年建成可實(shí)現(xiàn)總?cè)萘?400億瓦時(shí)的超級(jí)工廠計(jì)劃的一部分。標(biāo)準(zhǔn)電芯適合使用多種化學(xué)物質(zhì)，采用了標(biāo)準(zhǔn)棱柱設(shè)計(jì)。大眾汽車的首席執(zhí)行官赫爾伯特?蒂艾斯（Herbert Diess）當(dāng)時(shí)說，大約80%的大眾新型棱柱電池將摒棄昂貴的鎳和鈷，轉(zhuǎn)而采用價(jià)格低廉、更豐富的陰極材料，其中可能包括錳。

那么，為什么電池有這么多混合搭配和陰極材料？為什么要用錳？這完全是因?yàn)轳R斯克和其他專家提到的加速電動(dòng)汽車革命逼近的限制因素：電池生產(chǎn)及其原材料的開采和加工的滯后率。

在柏林，馬斯克表示，要實(shí)現(xiàn)從化石燃料汽車到電動(dòng)汽車的全面過渡，全球?qū)⑿枰?00萬億瓦時(shí)的電動(dòng)汽車電池儲(chǔ)量。這是特斯拉預(yù)計(jì)的2030年產(chǎn)能的十幾倍，而且這一預(yù)估是在其自身產(chǎn)能大幅擴(kuò)張的前提下做出的。雖然富鎳電池具有前所未有的高能量密度和性能，但僅靠富鎳電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，我們還需要其他材料；通過合乎道德的、多樣化的、不間斷的渠道獲取這些材料，對(duì)成功地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)是至關(guān)重要的。哪怕化學(xué)反應(yīng)采用錳或磷酸鐵鋰（目前電動(dòng)汽車喜愛的）生產(chǎn)電池是一些折中的結(jié)果，事實(shí)也是如此。

錳具有儲(chǔ)量豐富、安全、穩(wěn)定的特點(diǎn)，隨著電動(dòng)汽車電池產(chǎn)能提升，它將成為一種很有前景的候選陰極材料。但它從未接近富鎳電池的能量密度或壽命期，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能科學(xué)合作中心的負(fù)責(zé)人文卡特?斯里尼瓦桑（Venkat Srinivasan）提醒道。早期日產(chǎn)聆風(fēng)的買家可能會(huì)對(duì)此表示贊同。在2011年，當(dāng)時(shí)沒有供應(yīng)商有意愿或有能力規(guī)模供應(yīng)電池，日產(chǎn)被迫自己制造了鋰錳氧化物電池，分子立體方格很像“尖晶石”。這種電池組能量貧乏，存儲(chǔ)容量?jī)H有24千瓦時(shí)，續(xù)航里程僅為135公里。這種糟糕的存儲(chǔ)容量和續(xù)航里程還會(huì)很快退化，特別是在美國(guó)西南部和其他炎熱地區(qū)，獨(dú)留車主憤憤難平。（雖然日產(chǎn)避開了電池溫度管理系統(tǒng)，但也于事無補(bǔ)。）2014年，一款采用改進(jìn)錳化學(xué)反應(yīng)的“蜥蜴”電池仍然僅有24千瓦時(shí)的容量，而且壽命依然很短。

盡管如此，錳依然在競(jìng)爭(zhēng)成為電動(dòng)汽車電池金屬，因?yàn)楦咝阅芨?jìng)爭(zhēng)對(duì)手鈷不僅價(jià)格不菲，而且主要產(chǎn)自剛果民主共和國(guó)，涉嫌雇用礦場(chǎng)童工和其他侵犯人權(quán)的行為。低鈷電池一直是行業(yè)對(duì)這些供應(yīng)鏈問題的回應(yīng)。

另一種流行的陰極材料是鎳，雖然鎳的供應(yīng)比剛果民主共和國(guó)的鈷多樣化，卻難免受地緣政治問題的影響。2022年2月俄烏沖突發(fā)生之前，全球的鎳儲(chǔ)備就已經(jīng)下降。俄羅斯生產(chǎn)的高純度鎳占全球的17%，來自俄羅斯的金屬供應(yīng)可能被禁止或中斷，投資人和貿(mào)易商對(duì)此感到坐立不安。今年3月，鎳的價(jià)格在一夜之間翻倍，首次達(dá)到了每噸10萬美元，導(dǎo)致倫敦金屬交易所在暴漲期間暫停了交易。

基于商品價(jià)格、政治、道德、安全、供應(yīng)短缺、長(zhǎng)期戰(zhàn)略和期貨保值等多方面的考慮，行業(yè)正在著手實(shí)施多元化戰(zhàn)略，找到一個(gè)融合型的解決方案?；蛘咧辽俚鹊轿磥砟硞€(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者提出能完全取代鋰離子的方法。

“大家都在考慮鎳和鈷的替代品，以及如何回收這些物質(zhì)?！彼估锬嵬呱Ｕf。

我最近首次在通用悍馬電動(dòng)汽車上測(cè)試了來自通用汽車和LG新能源的袋裝Ultium電池，這種電池使用了一種鎳鈷錳鋁化學(xué)材料，鈷的含量降低了約70%。新一代悍馬配備了200千瓦時(shí)的雙堆夾層電池（該電池的尺寸是特斯拉最大電池的2倍），采用三引擎推進(jìn)，1000馬力，續(xù)航里程529公里，在“瓦特到自由”（WTF）模式下，百公里加速只需3秒。其電池是目前為止安裝在電動(dòng)汽車中的最大的電池，其重量為1326公斤，而悍馬的整備質(zhì)量為4111公斤。（隨著通用汽車在底特律加速大規(guī)模生產(chǎn)，悍馬將獨(dú)自創(chuàng)造巨大的電池存儲(chǔ)需求。）

通用汽車的電池僅使用了少量的錳來穩(wěn)定電池結(jié)構(gòu)，并未將其作為主要陰極材料。

有些變化無常的汽車制造商，甚至連鎳也看不上了，而是轉(zhuǎn)向了磷酸鐵鋰（LFP）這種化學(xué)成分。這種電池化學(xué)成分是20世紀(jì)90年代發(fā)明的，它不需要鎳或鈷，只需要充足的鐵和磷酸鹽，很久以來一直被認(rèn)為是一種過時(shí)的材料，最近則有所改變。馬斯克已經(jīng)確認(rèn)，在入門級(jí)汽車（包括特斯拉Model 3）或能源存儲(chǔ)中，將“長(zhǎng)期轉(zhuǎn)向”使用磷酸鐵鋰。

特斯拉和大眾汽車所關(guān)注的高錳電池使用的鎳也將更少，且完全不使用鈷。這種電池的價(jià)格看起來很實(shí)惠。倫敦羅斯基爾信息服務(wù)公司的分析師表示，與富鎳電池設(shè)計(jì)相比，鋰鎳錳氧化物能夠?qū)㈥帢O每千瓦時(shí)的成本降低47%。因此，大眾汽車經(jīng)仔細(xì)考慮，將錳作為主流車型的潛在選擇，將磷酸鐵鋰電池用于低端車型，定制的高性能電池用于保時(shí)捷、奧迪、賓利或蘭博基尼等品牌。

斯里尼瓦桑說：“我可以理解這個(gè)邏輯，如果能實(shí)現(xiàn)合理的能量密度，錳會(huì)成為介于（高端和低端）兩者之間的選擇?！逼囍圃焐炭赡軙?huì)將錳降低的陰極成本轉(zhuǎn)移到略微擴(kuò)大電池，使其續(xù)航能力與富鎳電池相近。

2020年，在特斯拉的“電池日”，馬斯克表達(dá)了對(duì)這種礦物材料的樂觀看法：“用2/3的鎳和1/3的錳制造陰極材料是一種簡(jiǎn)單直接的方法，這樣用同樣數(shù)量的鎳可以增加50%的電池容量?！?/p>

馬斯克仍在努力將大尺寸的4680圓柱電池推向市場(chǎng)，但目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于計(jì)劃，專家警告稱，技術(shù)挑戰(zhàn)并非易事。高錳電池尚未展示出其商業(yè)可行性。

但這項(xiàng)挑戰(zhàn)規(guī)模宏大，汽車制造商和電池生產(chǎn)商不得不在實(shí)驗(yàn)室潛心研究，在地球上尋找像泥土一樣普通，而不是像金子那樣珍貴的材料。