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汽車，但他們面臨的挑戰(zhàn)可能會導(dǎo)致工程師的創(chuàng)新成果付之東流，因為電池和合乎道德的電池生產(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)商認為可將儲量豐富、元素周期表上的第25號元素錳（位于鉻和鐵之間）作為制造電池的最新金屬材料，生產(chǎn)主流買家能夠負擔(dān)得起的電動汽車。

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汽車，盡管其歷程令人沮喪，但行業(yè)對電池“來者不拒”，改進后的高錳電池也許能有一席之地，比如它的價格中等，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工廠的開業(yè)典禮上，當(dāng)被問到對電池中的石墨烯的看法時，埃隆?馬斯克的反應(yīng)引起了轟動，他說：“我認為錳基電池很有潛力?！?/p>

在原材料方面，馬斯克強調(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，否則無法實現(xiàn)規(guī)?；?。”

2021年3月，大眾汽車公布了多用途“標(biāo)準(zhǔn)電芯”，這是2030年建成可實現(xiàn)總?cè)萘?400億瓦時的超級工廠計劃的一部分。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。大眾汽車的首席執(zhí)行官赫爾伯特?蒂艾斯（Herbert Diess）當(dāng)時說，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？這完全是因為馬斯克和其他專家提到的加速電動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，要實現(xiàn)從化石燃料汽車到電動汽車的全面過渡，全球?qū)⑿枰?00萬億瓦時的電動汽車電池儲量。這是特斯拉預(yù)計的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，對成功地擴大生產(chǎn)是至關(guān)重要的。哪怕化學(xué)反應(yīng)采用錳或磷酸鐵鋰（目前電動汽車喜愛的）生產(chǎn)電池是一些折中的結(jié)果，事實也是如此。

錳具有儲量豐富、安全、穩(wěn)定的特點，隨著電動汽車電池產(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，美國阿貢國家實驗室儲能科學(xué)合作中心的負責(zé)人文卡特?斯里尼瓦桑（Venkat Srinivasan）提醒道。早期日產(chǎn)聆風(fēng)的買家可能會對此表示贊同。在2011年，當(dāng)時沒有供應(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，存儲容量僅有24千瓦時，續(xù)航里程僅為135公里。這種糟糕的存儲容量和續(xù)航里程還會很快退化，特別是在美國西南部和其他炎熱地區(qū)，獨留車主憤憤難平。（雖然日產(chǎn)避開了電池溫度管理系統(tǒng)，但也于事無補。）2014年，一款采用改進錳化學(xué)反應(yīng)的“蜥蜴”電池仍然僅有24千瓦時的容量，而且壽命依然很短。

盡管如此，錳依然在競爭成為電動汽車電池金屬，因為高性能競爭對手鈷不僅價格不菲，而且主要產(chǎn)自剛果民主共和國，涉嫌雇用礦場童工和其他侵犯人權(quán)的行為。低鈷電池一直是行業(yè)對這些供應(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)易商對此感到坐立不安。今年3月，鎳的價格在一夜之間翻倍，首次達到了每噸10萬美元，導(dǎo)致倫敦金屬交易所在暴漲期間暫停了交易。

基于商品價格、政治、道德、安全、供應(yīng)短缺、長期戰(zhàn)略和期貨保值等多方面的考慮，行業(yè)正在著手實施多元化戰(zhàn)略，找到一個融合型的解決方案?；蛘咧辽俚鹊轿磥砟硞€諾貝爾獎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)。”斯里尼瓦桑說。

我最近首次在通用悍馬電動汽車上測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，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)，悍馬將獨自創(chuàng)造巨大的電池存儲需求。）

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，很久以來一直被認為是一種過時的材料，最近則有所改變。馬斯克已經(jīng)確認，在入門級汽車（包括特斯拉Model 3）或能源存儲中，將“長期轉(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。這種電池的價格看起來很實惠。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)計相比，鋰鎳錳氧化物能夠?qū)㈥帢O每千瓦時的成本降低47%。因此，大眾汽車經(jīng)仔細考慮，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：“我可以理解這個邏輯，如果能實現(xiàn)合理的能量密度，錳會成為介于（高端和低端）兩者之間的選擇?！逼囍圃焐炭赡軙㈠i降低的陰極成本轉(zhuǎn)移到略微擴大電池，使其續(xù)航能力與富鎳電池相近。

2020年，在特斯拉的“電池日”，馬斯克表達了對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，但目前遠遠落后于計劃，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)商不得不在實驗室潛心研究，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。