編譯 李軍平

世界各地均有未開發(fā)的鋰礦，但對(duì)新礦的投資卻相對(duì)滯后。

在全球致力于實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域脫碳的背景下，拜登政府也在大力推動(dòng)普及電動(dòng)汽車，導(dǎo)致業(yè)界對(duì)鋰金屬——這一電動(dòng)汽車電池原材料的需求激增，而現(xiàn)有和計(jì)劃中的供應(yīng)量已難以滿足該需求。然而，世界各地的新礦床與新輕金屬提取技術(shù)可能會(huì)填補(bǔ)這一需求空白；與此同時(shí)，鈷與鎳的供應(yīng)情況可能會(huì)成為擴(kuò)大電動(dòng)汽車電池生產(chǎn)的關(guān)鍵制約因素。

根據(jù)英國市場(chǎng)分析公司基準(zhǔn)礦業(yè)情報(bào)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，2021年鋰供應(yīng)將出現(xiàn)2.6萬噸的缺口，到2030年將擴(kuò)大至110萬噸。屆時(shí)，全球需求預(yù)計(jì)將飆升至現(xiàn)有水平的5倍以上，達(dá)到240萬噸碳酸鋰當(dāng)量（LCE，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)單位）。2020年，世界銀行對(duì)輕金屬的前景不太樂觀，但同時(shí)表示，如果把全球平均氣溫較工業(yè)化前的水平提升控制在2℃之內(nèi)，全球2050年的鋰需求將增加5倍。

基準(zhǔn)礦業(yè)情報(bào)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品總監(jiān)安德魯·米勒（Andrew Miller）指出，該公司在發(fā)布供應(yīng)缺口預(yù)測(cè)時(shí)，已考慮目前已知的礦區(qū)與采礦開發(fā)項(xiàng)目。他強(qiáng)調(diào)：“鋰資源并不稀缺，因此，問題是如何快速開發(fā)并獲取資源以滿足這些需求?！?/p>

科羅拉多礦業(yè)學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)教授羅德里克·埃格特（Roderick Eggert）贊同此觀點(diǎn)：“以澳大利亞為代表的一些國家擁有大量未利用的采礦產(chǎn)能，應(yīng)可以滿足未來數(shù)年的需求增長(zhǎng)，也不會(huì)導(dǎo)致價(jià)格大幅上漲?！?/p>

通用汽車公司開發(fā)的鋰金屬電池原型。2021年3月，通用汽車公司宣布與新加坡鋰電池初創(chuàng)公司SES達(dá)成聯(lián)合開發(fā)協(xié)議

美國總統(tǒng)拜登于2021年3月31日宣布推出2萬億美元的就業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施一攬子計(jì)劃，其中有1 740億美元用于刺激美國電動(dòng)汽車市場(chǎng)。這一巨額資金清楚表明了對(duì)輕金屬需求的急劇增長(zhǎng)。米勒總監(jiān)與其他人士指出，未來十年鋰消費(fèi)量的增長(zhǎng)幾乎主要依靠電動(dòng)汽車電池。未來十年的后半期，電動(dòng)公用設(shè)施規(guī)模的蓄電池的需求將有所增長(zhǎng)。長(zhǎng)期來看，其他類型的電池化學(xué)技術(shù)（如目前處于研發(fā)階段的液流電池）可能將與鋰電池在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域展開競(jìng)爭(zhēng)，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的重量和尺寸問題并不重要。

盡管具體細(xì)節(jié)尚未公布，但拜登的電動(dòng)汽車計(jì)劃的主要目的是保護(hù)美國汽車制造商的供應(yīng)鏈（從原材料開始），刺激美國生產(chǎn)更多的電動(dòng)汽車電池。不過，埃格特教授表示，最好是讓美國從全球各地獲取鋰資源，因?yàn)樽越o自足的成本要高得多。他指出：“問題并非是資源是否足夠，而是能否從多個(gè)渠道獲取資源，及時(shí)將其投入生產(chǎn)，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求?！?/p>

西澳大利亞州擁有五個(gè)含有鋰輝石的巖漿巖礦區(qū)，供應(yīng)全球約60%的鋰。其余大部分的鋰供應(yīng)來自阿根廷、玻利維亞與智利富含輕金屬元素的鹽灘。鹽水從地下被抽至人工池塘，并通過蒸發(fā)和濃縮工藝得到鋰鹽。埃格特教授表示：“澳大利亞與南美洲擁有大量未開發(fā)的資源，他們將相互競(jìng)爭(zhēng)?！?/p>

美國唯一的礦區(qū)位于內(nèi)華達(dá)州的銀峰，該礦區(qū)也采用鹽水作業(yè)的方式提煉鋰金屬。該礦區(qū)的所有者阿爾伯馬爾公司近期宣布，會(huì)將產(chǎn)量提高一倍，但未披露具體產(chǎn)量。

與許多其他重要礦物資源一樣，中國在全球鋰供應(yīng)鏈條中占據(jù)相當(dāng)大的份額。除了國內(nèi)開采的鋰之外，中國幾乎將所有澳大利亞的鋰原料加工成碳酸鋰與氫氧化鋰——這兩種化合物是制造鋰離子電池（陰極）的關(guān)鍵材料。2020年，日本松下、韓國LG化學(xué)與中國寧德時(shí)代（CATL）這三家公司合計(jì)生產(chǎn)了全球約3/4的電動(dòng)汽車電池。

渠道來源多元化

盡管南美與澳大利亞的鋰產(chǎn)量持續(xù)增加，但預(yù)計(jì)未來十年鋰資源的供應(yīng)渠道將愈發(fā)多樣化。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局的數(shù)據(jù)，截至2020年，阿根廷、玻利維亞、智利、中國和美國處在開發(fā)鹵水鋰資源的不同階段；非洲、澳大利亞、南美、加拿大與歐洲正在開發(fā)礦物鋰資源。

此外，新的采礦技術(shù)與礦床類型有望作為傳統(tǒng)資源的補(bǔ)充。據(jù)《礦業(yè)》（Mine）雜志報(bào)道，相關(guān)企業(yè)正在美國西南部地區(qū)評(píng)估沉積黏土礦床，包括世界第二大遠(yuǎn)景礦——內(nèi)華達(dá)州薩克爾山口礦。薩克爾山口礦的所有者美洲鋰業(yè)公司預(yù)計(jì)，該礦儲(chǔ)量非常豐富，在每年生產(chǎn)6萬噸碳酸鋰當(dāng)量的情況下，足以維持46年。澳大利亞霍克斯通礦業(yè)公司是亞利桑那州大沙沉積黏土遠(yuǎn)景礦的所有者，該公司表示，大沙礦在每年生產(chǎn)5萬噸LCE的情況下，足以維持40年。霍克斯通美國公司總經(jīng)理道格·皮茨（Doug Pitts）指出，該礦將于2025年投入運(yùn)營。

《礦業(yè)》雜志稱，世界最大的鋰開發(fā)項(xiàng)目——墨西哥索諾拉州的沉積黏土礦床，估計(jì)含有450萬噸LCE。在世界其他十大礦業(yè)項(xiàng)目中，5個(gè)位于西澳大利亞，2個(gè)位于加拿大的魁北克省和津巴布韋。

另一個(gè)潛在的鋰資源來自地?zé)崮堋谏a(chǎn)地?zé)岬倪^程中，可從地下開采的熱鹵水中提取鋰資源。在美國，探索地?zé)徜囐Y源的活動(dòng)主要在加州進(jìn)行。多家公司正在索爾頓海沿岸經(jīng)營地?zé)岚l(fā)電廠；同時(shí)，在過去的兩年里，加州能源委員會(huì)已經(jīng)撥款1 600萬美元，探索在這些地?zé)岚l(fā)電廠中順便進(jìn)行鋰提取作業(yè)的可行性。伯克希爾哈撒韋能源公司的可再生能源子公司是獲得撥款的機(jī)構(gòu)之一，目前在稱為“鋰谷”的地區(qū)經(jīng)營10家地?zé)岚l(fā)電廠。該公司表示，如果項(xiàng)目獲得成功，則每年可以生產(chǎn)9萬噸LCE——約是當(dāng)前全球需求的1/4。

埃格特教授指出，通過地?zé)嶙鳂I(yè)提取的鋰資源非常多，但與傳統(tǒng)的采礦相比，這些鋰在很大程度上被稀釋了，且該工藝尚未通過大規(guī)模商業(yè)開發(fā)證明其可行性；此外，地?zé)崤c鹵水提取作業(yè)將引發(fā)環(huán)境問題，特別是在索爾頓海現(xiàn)有污染比較嚴(yán)重的情況下。但基準(zhǔn)礦業(yè)情報(bào)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品總監(jiān)米勒表示，由于基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)基本建成，地?zé)猁u水可能很快成為重要的鋰供應(yīng)來源。此外，地?zé)徜囐Y源對(duì)于希望在當(dāng)?shù)孬@取原材料的美國消費(fèi)者而言，其吸引力并不亞于黏土礦床。

加拿大溫哥華標(biāo)準(zhǔn)鋰業(yè)公司正在開發(fā)一項(xiàng)技術(shù)，據(jù)稱可從油田鹵水中提取最高可達(dá)90%的鋰，同時(shí)無須傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝的蒸發(fā)池。該公司計(jì)劃以德國朗盛公司在阿肯色州南部生產(chǎn)溴的副產(chǎn)品為原料，每年生產(chǎn)2.1萬噸LCE。

英國市場(chǎng)分析公司基準(zhǔn)礦業(yè)情報(bào)機(jī)構(gòu)表示，從今年開始，鋰需求量將開始超過供應(yīng)量，如果鋰資源未得到進(jìn)一步開發(fā)，這種不均衡性將迅速加?。〝?shù)字計(jì)算可能存在舍入誤差）

阿根廷薩利納斯格蘭德鹽灘的鋰鹽水作業(yè)。世界鋰供應(yīng)量的30%來自南美鹵水

在加州南部，礦業(yè)巨頭力拓集團(tuán)的美國硼砂部門正在評(píng)估如何從硼酸鹽開采產(chǎn)生的廢料中回收鋰。該公司報(bào)告稱，其在塞爾維亞的硼酸鋰礦床是一個(gè)尚未開發(fā)的大型礦產(chǎn)資源，每年可生產(chǎn)5萬噸LCE。皮埃蒙特鋰業(yè)公司與阿爾伯馬爾公司曾在北卡羅來納州開采過鋰輝石，這兩家公司正在考慮重啟該地的業(yè)務(wù)。

埃格特教授表示，由于不確定鋰需求的繁榮期會(huì)持續(xù)多久，投資者對(duì)是否投資新礦比較猶豫。他指出，一方面，新的電池技術(shù)可能在15年后開始取代鋰；另一方面，當(dāng)技術(shù)的未來發(fā)展不夠確定，投資者不愿為壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年的生產(chǎn)設(shè)施投資。

高價(jià)值金屬元素

鋰電池的其他組件也面臨供應(yīng)短缺問題。但是，輕金屬僅占常規(guī)鋰電池所用礦物質(zhì)重量的4%。陽極使用的石墨占總質(zhì)量的一半以上，其中19%是鎳。供應(yīng)短缺問題最大的金屬是鈷（含量6%），其既稀有、又昂貴，而且大多數(shù)供應(yīng)來自剛果民主共和國，同時(shí)，該國的童工現(xiàn)象與其他侵犯人權(quán)的行為非常普遍。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心主任喬治·克拉布特里（George Crabtree）指出，電動(dòng)汽車電池制造商一直努力采用不同組合的其他過渡金屬（主要是鎳與錳），以盡可能減少或替代鈷。但是，鈷仍然是穩(wěn)定陰極、延長(zhǎng)電池壽命和提高電動(dòng)汽車性能的理想材料。第一批電動(dòng)汽車（包括特斯拉最初的Roadster）的電池（陰極）便是由鋰鈷氧化物制成，這也是電動(dòng)汽車成本如此高的原因之一。

今天，電動(dòng)汽車電池（陰極）大多由鋰鎳錳鈷氧化物制成，含鈷量很少。埃隆·馬斯克最近發(fā)布報(bào)告稱，在中國銷售的特斯拉Model 3配備了無鈷磷酸鐵鋰電池（陰極）。由于能量密度較低，這種化學(xué)物質(zhì)主要局限于電動(dòng)工具。

鋰離子電池集高能量密度與輕重量特色為一體，預(yù)計(jì)將至少在未來十年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位?？死继乩锉硎荆骸颁囯姵仫@然是我們目前最好的電池?！钡牵姵丶夹g(shù)日新月異且在不斷進(jìn)化。最近的發(fā)展態(tài)勢(shì)表明，一些電動(dòng)汽車需要的鋰電池?cái)?shù)量可能相當(dāng)于目前的兩倍。例如，通用汽車公司與新加坡SES公司正在開發(fā)一種固體鋰電池（陽極）以代替石墨。通用汽車公司表示，新電池的能量密度更大，因此續(xù)航里程更遠(yuǎn)，充電時(shí)間更短。通用汽車公司與SES計(jì)劃在馬薩諸塞州沃伯恩建立一條新的生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)到2023年可生產(chǎn)高容量的車載驅(qū)動(dòng)電池。

加州圣何塞量子圖景公司正與大眾汽車合作開發(fā)鋰金屬電池。在其電池設(shè)計(jì)方案中，將不再采用有機(jī)液體電解質(zhì)（這是目前所有鋰離子電池的共同特點(diǎn)）。固體電解質(zhì)將徹底消除因電池?zé)崾Э匾鸹馂?zāi)的隱患（盡管十分罕見）。

克拉布特里指出，一些研究表明，硅石墨復(fù)合材料的儲(chǔ)能容量約為純鋰的1/2至3/4。

回收利用的效果并不理想

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室材料回收小組組長(zhǎng)杰夫·斯潘根伯格（Jeff Spangenberger）表示，已經(jīng)開展了數(shù)量有限的鋰離子電池回收利用工作，但經(jīng)濟(jì)效益不足以吸引業(yè)界廣泛采用。關(guān)于鋰電池的回收利用，可通過火法冶金或濕法冶金工藝實(shí)現(xiàn)。

他強(qiáng)調(diào)，若使回收利用具備可行性，將主要取決于鈷而非鋰。電動(dòng)汽車電池中的鈷含量越少，回收就越不具備經(jīng)濟(jì)性。鈷含量越高，消費(fèi)電子產(chǎn)品的單位重量?jī)r(jià)值就越大；但是，在大規(guī)模收集手機(jī)與筆記本電腦的過程中，可能會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。

加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)工程師尼塔什·巴爾薩拉（Nitash Balsara）指出，有必要制定促進(jìn)回收利用的法規(guī)。他以鉛酸電池為例：由于制定了相關(guān)法規(guī)，幾乎所有的鉛酸電池均被回收利用。他強(qiáng)調(diào)：“只有出臺(tái)強(qiáng)制措施，才能迫使我們身體力行。該問題已足夠迫切，必須制定相關(guān)的政策。”

美國能源部正在支持一個(gè)名為“回收利用電池中心”（ReCell Center）的項(xiàng)目。該項(xiàng)目正在開發(fā)直接回收利用技術(shù)，用于回收、再造和再利用鋰電池組件，而非像之前那樣，將其熔化或改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)。

資料來源PhysicsToday