一個(gè)幽靈,原材料匱乏的幽靈,正在全球制造業(yè)廠商的上空飄蕩。8月27日,據(jù)媒體報(bào)道,受主要產(chǎn)地民主剛果政局持續(xù)動(dòng)蕩的影響,全球正在陷入一場(chǎng)“鈷焦慮”風(fēng)潮當(dāng)中,該風(fēng)潮可能危及新能源汽車、智能手機(jī)等多種與民眾生活息息相關(guān)的產(chǎn)品的價(jià)格。而為了擺脫這種焦慮,各企業(yè)正在瘋狂投資“無鈷電池”這一新興技術(shù),力爭(zhēng)早日解決被鈷產(chǎn)量“卡脖子”的尷尬現(xiàn)狀。從特斯拉、寶馬等汽車名企到蘋果、三星等智能手機(jī)巨頭,為什么都會(huì)被一種小小的元素困擾呢?

被叫做“妖怪”的鈷元素

時(shí)光倒回幾百年前。德國薩克森州有一個(gè)規(guī)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(duì)峙。雖然早已過了上工的時(shí)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(fā)著幽藍(lán)光亮的奇異石頭,而這些石頭里住著一個(gè)妖怪,它會(huì)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(xué)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(shí)就是“妖怪”。

1753年,瑞典化學(xué)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(shí)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(shí)該礦中的主要成分鈷元素倒對(duì)人體沒有顯著危害,但輝鈷礦在強(qiáng)壓或加熱下反應(yīng)產(chǎn)生的硫化物和砷化物都有劇毒。如此看來,鈷其實(shí)是在替伴生的硫和砷“背鍋”,這個(gè)“妖怪元素”叫得實(shí)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(xiàn)一種大自然中極為少見的天藍(lán)色,古希臘人和古羅馬人曾經(jīng)利用它制造出美麗的藍(lán)色玻璃,中國唐朝彩色瓷器上的藍(lán)色也是鈷的杰作。

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進(jìn)入20世紀(jì),鈷及其合金在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到使用。但鈷真正成為掐住現(xiàn)代工業(yè)命門的關(guān)鍵元素是在1980年,這一年,美國化學(xué)家約翰·古迪納夫發(fā)明了鈷酸鋰電池。這一發(fā)明被后世認(rèn)為“開啟了整整一個(gè)時(shí)代”,因?yàn)樵诖酥?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?yàn)閮?chǔ)能少、不穩(wěn)定為人所詬病。電力驅(qū)動(dòng)機(jī)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(chǎn)業(yè)迎來了一波爆發(fā)性的增長(zhǎng)。

今天,你手里拿的智能手機(jī)、用的筆記本電腦、充電寶,乘坐的電動(dòng)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(diǎn)金手”角色。

對(duì)防止電池過熱不可或缺

鈷元素,這個(gè)曾經(jīng)的“妖怪”,如今卻如此深刻地塑造了我們的生活。然而,當(dāng)今人類對(duì)這種元素卻是又愛又恨,原因是它在造福人類的同時(shí),依然在“作妖”。

說鈷“作妖”,是因?yàn)檫@種元素在地表的分布實(shí)在太集中了——全球而言,鈷資源的總儲(chǔ)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(gè)國家。而全球鈷產(chǎn)量二到五位的澳大利亞、加拿大、菲律賓和古巴四個(gè)國家的儲(chǔ)量加起來,和民主剛果幾個(gè)省的鈷產(chǎn)量相當(dāng)!

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民主剛果,一個(gè)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(jù)地質(zhì)學(xué)家們分析,地殼中的鈷含量原本極為稀少,當(dāng)今世界絕大多數(shù)的鈷,可能都來源于億萬年前一個(gè)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(shù)的鈷都留在了那里——我們真應(yīng)該感謝這次大沖撞,沒有它送來的鈷,你一定用不上iPhone,因?yàn)槔锩娴拟拰⒈冉鹱舆€貴,智能手機(jī)的價(jià)格將是個(gè)天價(jià),你賣腎也買不起。

在很多專家看來,電池將在本世紀(jì)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),就像石油在上世紀(jì)那樣,電池為我們每天的數(shù)字生活提供動(dòng)力。若沒有電池,全球?qū)⒏y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?yàn)殁拰?duì)于防止電池過熱是不可或缺的,它可以帶給電池材料穩(wěn)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(dòng)汽車成本、與汽油動(dòng)力汽車競(jìng)爭(zhēng)的能力。

新電池何時(shí)才能“無鈷”

然而,在越來越需要鈷的當(dāng)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(shì)動(dòng)蕩,民主剛果鈷礦產(chǎn)量下降,從去年年初到現(xiàn)在,倫敦金屬交易所中的鈷價(jià)從每噸3.2萬美元漲至8月初的6.6萬美元,盡管價(jià)格高漲,供應(yīng)卻未增反降,2017年全球礦山鈷產(chǎn)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(zhàn)略資源”,將礦產(chǎn)稅提高了整整一倍。鈷礦的減產(chǎn)直接導(dǎo)致智能手機(jī)廠商蘋果、三星以及電動(dòng)汽車廠商特斯拉等企業(yè)陷入經(jīng)營困境。

實(shí)際上,即使民主剛果不出現(xiàn)動(dòng)蕩,鈷的生產(chǎn)速度依舊趕不上需求。數(shù)據(jù)顯示,一塊電動(dòng)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(shí)代的到來,鈷必然面臨供不應(yīng)求的局面。標(biāo)普全球市場(chǎng)研究預(yù)計(jì)到2020年,光是用于電池的化學(xué)鈷的供需缺口就達(dá)1.2萬噸,鈷的匱乏,已經(jīng)成為制約人類技術(shù)進(jìn)一步普及和發(fā)展的瓶頸。

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

當(dāng)然,在瓶頸越縮越緊的當(dāng)下,少鈷和無鈷電池的研發(fā)依然在加速。今年5月末,特斯拉的電池供應(yīng)商日本松下高調(diào)宣布將研發(fā)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(jì)劃,以便早日突破技術(shù)瓶頸。

今年7月,特斯拉供應(yīng)商松下汽車業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人伊藤佳雄在東京稱,該公司計(jì)劃在兩三年后降低特斯拉電動(dòng)汽車的鈷使用量。特斯拉表示,該公司“力求在不久的將來實(shí)現(xiàn)鈷使用量接近零”。而多數(shù)汽車制造商正轉(zhuǎn)向采用更多鎳,同時(shí)減少鈷使用量多達(dá)75%的電池。未來幾年,預(yù)計(jì)這些產(chǎn)品的市場(chǎng)份額將會(huì)提高。

另外,“離子材料”也是有希望商業(yè)化的下一個(gè)電池研究新方向。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授文卡特·維斯瓦納坦表示,可以利用液體電解質(zhì)的化學(xué)特性來減少鈷使用量。他表示,“‘離子材料’代表著一條生產(chǎn)低鈷陰極的路徑,但很多電池制造商正在探索液體電解質(zhì)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(jì)劃,或者降低各自的鈷使用量。也許在不遠(yuǎn)的將來,在眾多大公司的砸錢研發(fā)下,人類真能突破這一嚴(yán)重困擾新技術(shù)發(fā)展的資源瓶頸。

結(jié)尾再跟大家分享個(gè)正能量滿滿的消息,鈷酸鋰電池的發(fā)明者古迪納夫教授雖然已經(jīng)年過九旬,但卻依然帶著一支小型科研團(tuán)隊(duì),立誓研發(fā)無鈷電池。這位參加過二戰(zhàn)的老科學(xué)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(xiàn)有電池技術(shù)。等完成了,再進(jìn)養(yǎng)老院也不遲。”