1980年, John Goodenough於牛津發明了第一塊需要鈷的鋰離子充電電池. 實驗證明, 鈷的能量密度非常高, 特別適合體積小卻需要大能量的電池. Goodenough通過加熱前導部分的方式, 自己來提煉鈷.
圖丨John Goodenough
今天, 大多數商用鋰離子電池都採用了鈷, 但是它造價昂貴. 為此, 它衍生出了黑色的利益鏈條: 很長一段時間, 在剛果共和國存在著侵犯人權的情況, 包括僱傭童工採礦的行為. 電子設備和電動車公司不願支付大價錢用於製造生產, 亦不願意參與當地的對人權剝削的行動, 所以他們逐漸減少電池中鈷的使用量. 特斯拉的電池供應商松下公司在上月底宣布, 他們正在開發不需要鈷的電池. 已經研發出無鈷電池的Goodenough等研究人員也在給松下公司提供幫助.
電池有一個正極, 通常是石墨, 以及一個負極, 由鋰, 鈷和氧組成的合成物. 在電動汽車的電池組中, 負極部分往往含有比電子產品更多的鎳成分, 這雖然減少了鈷的使用, 但卻帶來了更高的處理成本而且更容易在飛機上引起火災——例如三星Note 7中的那塊電池. 相比之下, 鈷原子外軌上的電子是成對分布的, 這意味著它小而緻密, 並且容易形成層狀.
圖丨未加工的鈷銅礦石
但包括Goodenough在內的新一代電池研究人員正在轉向對錳和鐵等材料的研究. 不同於層狀結構, 這些元素會形成一種 '岩鹽' (rocksalt) 結構. 含有岩鹽的負極已經在某些裝置中被使用, 但目前岩鹽結構還沒有具有與鈷或鎳相同的高能量密度.
研究人員和公司已準備好替代方案. '因為鈷的價格昂貴, 所以公司盡量不去在電池製造中使用它' , 德克薩斯大學工程教授的Goodenough這樣說道. 在過去的兩年中, 鈷的價格翻了兩番. 現階段, 攜帶型電子設備使用了市場上的大部分鈷, 而未來電動汽車電池組對於鈷的需求量將比手機高出近1000倍. 隨著全球氣候變暖, 越來越多的人正在將內燃機驅動汽車更換成電動汽車. 雖然這對地球來說是件好事, 但著實推高了鈷的價格.
鈷是鎳和銅等其他金屬生產過程中的副產品, 但它也以自身的形式存在於地殼中, 主要分布在剛果民主共和國的礦山處. 2016年, 華盛頓郵報對過去不透明的鈷供應鏈進行了調查, 揭露了僱傭童工和缺乏必要開採設備的情況.
誠然, 也有其它的方式來避免危險開採的情況: 回收利用鈷. 但是, 因為鋰離子電池的壽命很長, 且人們對電子產品需求會越來越高, 所以在未來10年購買鋰離子電池的人會顯著增加, 來自麻省理工學院的能源研究專家Elsa Olivetti表示. 去年十月, 她發表了一篇文章, 得出的結論是鈷的供應將迅速增長, 以滿足未來幾年的需求, 特別是隨著電動汽車的興起. 儘管針對新負極材料的研發和過去八個月鈷元素的開源取得進展, 她仍然寫道: '目前來看, 鈷類電極依然有存在且被研究的價值. 但人們已經開始逐漸減少對於鈷元素的使用' , 用磷和鐵等穩定的, 能量密集的金屬來製造電池負極將是未來的趨勢.
除了分層狀和岩鹽結構的電池之外, 研究人員正在研發固態電池. 這類電池可能需要更多的鋰, 但不一定是鈷, 並且比現有的鋰離子電池要安全得多. 寶馬, 豐田, 和本田等汽車公司正在研究這些電池, 但Olivetti認為該技術不會滿足2025年的市場需求. 在此之前, 公司將嘗試減少含鈷電池的使用. 蘋果和三星等公司已加入Responsible Cobalt Initiative計劃, 承諾改善在鈷的生產過程中產生的環境汙染和惡劣社會影響. 最近, 蘋果公司已經開始直接從礦工處購買鈷元素, 以確保鈷供應商的生產安全條件達到行業要求水平.
96歲高齡的Goodenough依然考慮著鈷的應用. 儘管他已經開發出一塊不需要鈷的電池, 他仍然不認為使用鈷的鋰電池會從此退出曆史舞台. 儘管生產成本高昂, 他早年設計的鋰電池依然有著非常不錯的應用潛力.
