1980年, John Goodenough于牛津发明了第一块需要钴的锂离子充电电池. 实验证明, 钴的能量密度非常高, 特别适合体积小却需要大能量的电池. Goodenough通过加热前导部分的方式, 自己来提炼钴.
图丨John Goodenough
今天, 大多数商用锂离子电池都采用了钴, 但是它造价昂贵. 为此, 它衍生出了黑色的利益链条: 很长一段时间, 在刚果共和国存在着侵犯人权的情况, 包括雇佣童工采矿的行为. 电子设备和电动车公司不愿支付大价钱用于制造生产, 亦不愿意参与当地的对人权剥削的行动, 所以他们逐渐减少电池中钴的使用量. 特斯拉的电池供应商松下公司在上月底宣布, 他们正在开发不需要钴的电池. 已经研发出无钴电池的Goodenough等研究人员也在给松下公司提供帮助.
电池有一个正极, 通常是石墨, 以及一个负极, 由锂, 钴和氧组成的合成物. 在电动汽车的电池组中, 负极部分往往含有比电子产品更多的镍成分, 这虽然减少了钴的使用, 但却带来了更高的处理成本而且更容易在飞机上引起火灾——例如三星Note 7中的那块电池. 相比之下, 钴原子外轨上的电子是成对分布的, 这意味着它小而致密, 并且容易形成层状.
图丨未加工的钴铜矿石
但包括Goodenough在内的新一代电池研究人员正在转向对锰和铁等材料的研究. 不同于层状结构, 这些元素会形成一种 '岩盐' (rocksalt) 结构. 含有岩盐的负极已经在某些装置中被使用, 但目前岩盐结构还没有具有与钴或镍相同的高能量密度.
研究人员和公司已准备好替代方案. '因为钴的价格昂贵, 所以公司尽量不去在电池制造中使用它' , 德克萨斯大学工程教授的Goodenough这样说道. 在过去的两年中, 钴的价格翻了两番. 现阶段, 便携式电子设备使用了市场上的大部分钴, 而未来电动汽车电池组对于钴的需求量将比手机高出近1000倍. 随着全球气候变暖, 越来越多的人正在将内燃机驱动汽车更换成电动汽车. 虽然这对地球来说是件好事, 但着实推高了钴的价格.
钴是镍和铜等其他金属生产过程中的副产品, 但它也以自身的形式存在于地壳中, 主要分布在刚果民主共和国的矿山处. 2016年, 华盛顿邮报对过去不透明的钴供应链进行了调查, 揭露了雇佣童工和缺乏必要开采设备的情况.
诚然, 也有其它的方式来避免危险开采的情况: 回收利用钴. 但是, 因为锂离子电池的寿命很长, 且人们对电子产品需求会越来越高, 所以在未来10年购买锂离子电池的人会显著增加, 来自麻省理工学院的能源研究专家Elsa Olivetti表示. 去年十月, 她发表了一篇文章, 得出的结论是钴的供应将迅速增长, 以满足未来几年的需求, 特别是随着电动汽车的兴起. 尽管针对新负极材料的研发和过去八个月钴元素的开源取得进展, 她仍然写道: '目前来看, 钴类电极依然有存在且被研究的价值. 但人们已经开始逐渐减少对于钴元素的使用' , 用磷和铁等稳定的, 能量密集的金属来制造电池负极将是未来的趋势.
除了分层状和岩盐结构的电池之外, 研究人员正在研发固态电池. 这类电池可能需要更多的锂, 但不一定是钴, 并且比现有的锂离子电池要安全得多. 宝马, 丰田, 和本田等汽车公司正在研究这些电池, 但Olivetti认为该技术不会满足2025年的市场需求. 在此之前, 公司将尝试减少含钴电池的使用. 苹果和三星等公司已加入Responsible Cobalt Initiative计划, 承诺改善在钴的生产过程中产生的环境污染和恶劣社会影响. 最近, 苹果公司已经开始直接从矿工处购买钴元素, 以确保钴供应商的生产安全条件达到行业要求水平.
96岁高龄的Goodenough依然考虑着钴的应用. 尽管他已经开发出一块不需要钴的电池, 他仍然不认为使用钴的锂电池会从此退出历史舞台. 尽管生产成本高昂, 他早年设计的锂电池依然有着非常不错的应用潜力.
