一個幽靈,原材料匱乏的幽靈,正在全球制造業廠商的上空飄蕩。8月27日,據媒體報道,受主要產地民主剛果政局持續動蕩的影響,全球正在陷入一場“鈷焦慮”風潮當中,該風潮可能危及新能源汽車、智能手機等多種與民眾生活息息相關的產品的價格。而為了擺脫這種焦慮,各企業正在瘋狂投資“無鈷電池”這一新興技術,力爭早日解決被鈷產量“卡脖子”的尷尬現狀。從特斯拉、寶馬等汽車名企到蘋果、三星等智能手機巨頭,為什么都會被一種小小的元素困擾呢?

本報記者　王昱

被叫做“妖怪”的鈷元素

時光倒回幾百年前。德國薩克森州有一個規模很大的礦床開采中心,大批的礦工聚集在礦井口,與礦主對峙。雖然早已過了上工的時間,但所有礦工都拒絕下井,礦工們信誓旦旦而又不無驚恐地向礦主描述說,礦里有一種發著幽藍光亮的奇異石頭,而這些石頭里住著一個妖怪,它會讓所有下井的人染上怪病。這件怪事一傳十十傳百,引起了礦物學家阿格里科拉的注意,他在著作里將這種“作妖”的礦物命名為kobalt,德語中的意識就是“妖怪”。

1753年,瑞典化學家格·布蘭特(G.Brandt)從該礦中分離出淺玫色的灰色金屬,這是純度較高的金屬鈷,并沿用德語“kobalt”的拉丁文音譯,將它命名為“Cobatlum”,也就是鈷。這時人們才搞清楚,阿格里科拉所說的妖怪礦物是輝鈷礦(CoAsS),其實該礦中的主要成分鈷元素倒對人體沒有顯著危害,但輝鈷礦在強壓或加熱下反應產生的硫化物和砷化物都有劇毒。如此看來,鈷其實是在替伴生的硫和砷“背鍋”,這個“妖怪元素”叫得實在冤枉。

不過,雖然名為妖怪,鈷元素自古至今一直在為人類造福。由于鈷的很多化合物呈現一種大自然中極為少見的天藍色,古希臘人和古羅馬人曾經利用它制造出美麗的藍色玻璃,中國唐朝彩色瓷器上的藍色也是鈷的杰作。

進入20世紀,鈷及其合金在多個工業領域得到使用。但鈷真正成為掐住現代工業命門的關鍵元素是在1980年,這一年,美國化學家約翰·古迪納夫發明了鈷酸鋰電池。這一發明被后世認為“開啟了整整一個時代”,因為在此之前,無論是伏打電池、鉛酸蓄電池還是鈉硫電池,幾乎所有類型的蓄電池都因為儲能少、不穩定為人所詬病。電力驅動機械的能源瓶頸遲遲無法突破。但古迪納夫的鈷酸鋰電池完美突破了這一瓶頸。以該電池為能源核心的產業迎來了一波爆發性的增長。

今天,你手里拿的智能手機、用的筆記本電腦、充電寶,乘坐的電動汽車都離不開鈷酸鋰電池或它的改良版,鈷元素在其中扮演著不可或缺的“點金手”角色。

對防止電池過熱不可或缺

鈷元素,這個曾經的“妖怪”,如今卻如此深刻地塑造了我們的生活。然而,當今人類對這種元素卻是又愛又恨,原因是它在造福人類的同時,依然在“作妖”。

說鈷“作妖”,是因為這種元素在地表的分布實在太集中了——全球而言,鈷資源的總儲量大概在700萬噸左右,但竟然有三分之二集中在民主剛果這一個國家。而全球鈷產量二到五位的澳大利亞、加拿大、菲律賓和古巴四個國家的儲量加起來,和民主剛果幾個省的鈷產量相當!

民主剛果,一個面積234.5萬平方公里的不大不小的國家,鈷怎么都跑到這里了呢?據地質學家們分析,地殼中的鈷含量原本極為稀少,當今世界絕大多數的鈷,可能都來源于億萬年前一個富含鈷元素的小行星的撞擊。這顆“鈷星”的天地大沖撞,在非洲地表上砸出了剛果盆地,也把絕大多數的鈷都留在了那里——我們真應該感謝這次大沖撞,沒有它送來的鈷,你一定用不上iPhone,因為里面的鈷將比金子還貴,智能手機的價格將是個天價,你賣腎也買不起。

在很多專家看來,電池將在本世紀占據絕對優勢,就像石油在上世紀那樣,電池為我們每天的數字生活提供動力。若沒有電池,全球將更難戒除化石燃料之癮,并限制氣候變化的影響。

這就說到了為什么鈷這種元素在電池制造中這么重要。這是因為鈷對于防止電池過熱是不可或缺的,它可以帶給電池材料穩定性,還讓用戶得以在很多年里為汽車充電和放電。但它也是最昂貴的金屬之一,這阻礙了汽車制造商降低電動汽車成本、與汽油動力汽車競爭的能力。

新電池何時才能“無鈷”

然而,在越來越需要鈷的當下,如今的民主剛果政局卻越來越不讓人省心。去年,由于局勢動蕩,民主剛果鈷礦產量下降,從去年年初到現在,倫敦金屬交易所中的鈷價從每噸3.2萬美元漲至8月初的6.6萬美元,盡管價格高漲,供應卻未增反降,2017年全球礦山鈷產量從2016年的11.63萬噸降至11.51萬噸,民主剛果更是在今年將鈷列為“戰略資源”,將礦產稅提高了整整一倍。鈷礦的減產直接導致智能手機廠商蘋果、三星以及電動汽車廠商特斯拉等企業陷入經營困境。

實際上,即使民主剛果不出現動蕩,鈷的生產速度依舊趕不上需求。數據顯示,一塊電動汽車電池用掉約10公斤鈷,此外,一部iPhone中也含有大約8克這種金屬。隨著新能源時代的到來,鈷必然面臨供不應求的局面。標普全球市場研究預計到2020年,光是用于電池的化學鈷的供需缺口就達1.2萬噸,鈷的匱乏,已經成為制約人類技術進一步普及和發展的瓶頸。

那么,能不能研發一種無鈷或少鈷的電池?這方面許多大企業不是沒想過招,但到目前為止該技術還不成熟——還記得2016年三星推出的那款經常爆炸的note7手機嗎?其電池之所以經常爆炸,原因就在于三星研發人員在技術條件尚不成熟的條件下,貿然減少了鈷元素的含量。其結果是被這種“妖怪”元素狠狠地耍了一把。

當然,在瓶頸越縮越緊的當下,少鈷和無鈷電池的研發依然在加速。今年5月末,特斯拉的電池供應商日本松下高調宣布將研發無鈷汽車電池,而特斯拉公司自身也在隨后宣布將共同參與該計劃,以便早日突破技術瓶頸。

今年7月,特斯拉供應商松下汽車業務負責人伊藤佳雄在東京稱,該公司計劃在兩三年后降低特斯拉電動汽車的鈷使用量。特斯拉表示,該公司“力求在不久的將來實現鈷使用量接近零”。而多數汽車制造商正轉向采用更多鎳,同時減少鈷使用量多達75%的電池。未來幾年,預計這些產品的市場份額將會提高。

另外,“離子材料”也是有希望商業化的下一個電池研究新方向。美國卡內基梅隆大學教授文卡特·維斯瓦納坦表示,可以利用液體電解質的化學特性來減少鈷使用量。他表示,“‘離子材料’代表著一條生產低鈷陰極的路徑,但很多電池制造商正在探索液體電解質路徑,而且找到了可行的解決方案。”

除此之外,本田、寶馬、蘋果等多家公司也都有自己的“無鈷電池”計劃,或者降低各自的鈷使用量。也許在不遠的將來,在眾多大公司的砸錢研發下,人類真能突破這一嚴重困擾新技術發展的資源瓶頸。

結尾再跟大家分享個正能量滿滿的消息,鈷酸鋰電池的發明者古迪納夫教授雖然已經年過九旬,但卻依然帶著一支小型科研團隊,立誓研發無鈷電池。這位參加過二戰的老科學家說:“我的使命是要努力一試,看看自己能否在有生之年徹底改變現有電池技術。等完成了,再進養老院也不遲。”