車用電池需求大 金屬需求將提高

附屬於聯合國的跨政府氣候變化委員會近日發表了最新的報告，指出在他們審視過的所有情境之下，地球表面溫度將會持續上升起碼至本世紀中期。除非深切地減排溫室氣體，否則在21世紀內，全球再暖化1.5℃至2℃勢將成為事實。這自然促進大家再次認真審視各種減排溫室氣體的方法，而電動汽車就是一個明顯的方向。不過，製作電動汽車用來提供能量的電池，卻不一定如許多人想像般簡單直接。我們準備好未來對電動車電池的需求了嗎？今日就和各位討論一下。

鋰金屬製成陽極 放電後成結晶體

先來說說電池的結構及運作原理。電池有兩大主要部分：陽極和陰極，兩者中間再由電解質分開。陽極與陰極由不同性質的物料造成：連接上電線以後，陽極的物料傾向向電線輸出電子，迫使電子經電線流向陰極，因而成為電流。在電動汽車常見的可充電鋰電池中，鋰金屬就是作為陽極的材料。鋰金屬在釋出電子之後，留下來的鋰離子會穿過電解質與陰極的材料結合成相對穩定的結晶體；當充電的時候，輸入的能量就將鋰離子從結晶體中重新抽離出來，重回陽極回復原狀，重新準備放電。陰極的結晶體一般是由錳、鈷、鎳等不同的氧化物所組成的，因此製作這些電動汽車的充電池，鋰、錳、鈷、鎳等都是重要的原材料：比如說一個名為NMC532的充電池，就有大概8公斤鋰、35公斤鎳、20公斤錳和14公斤鈷。

用來製作汽車電池的金屬數量看來不少，而我們在未來對它們的需求，可能十分殷切：美國通用汽車早已宣布，他們打算在2035年停止出售汽油、柴油推動的汽車；德國的品牌奧迪，甚至希望在2033年達到這個目標。那麽我們有能力應付對這些金屬的需求嗎？

鈷金屬又貴又毒 科學家研究避用

研究報告顯示，我們現在鋰的儲備，可以支持直至21世紀中段的電動汽車工業，所以鋰應該不算緊絀。相對來說，研究人員其實比較擔心鈷：現時鈷的供應，大約三分之二來自非洲的剛果；而且與其他重金屬相似，鈷的生產過程之中有不少有毒的程序，稍一不慎不僅會傷害到當中的工作人員與附近的環境，更會影響鈷金屬供應的穩定性。鎳雖然不如鈷般昂貴，但價格也不低；而且在我們大幅增加生產充電池的同時，鎳金屬的供應也逐漸面對壓力。

有見及此，一直有研究在探索如何利用鈷含量低（甚至沒有鈷）的物料來作為充電池的陰極。不過這種材料要小心設計：要記得在充電的時候，鋰離子會離開陰極而重新回歸陽極之中；我們需要確保陰極材料的結構不會因為這個過程而受到破壞。可幸的是研究人員已在實驗室中找到可行的替代物料，希望能在更多的研究之後為業界所用。

更有研究人員希望能更進一步，開發出不含鈷與鎳的陰極材料。不過這需要使用截然不同的物料：研究人員已有一些想法，希望能在不久的將來再和大家分享這方面的進展。

為了面對未來對充電池的需求，其實亦有許多研究在以不同的方向探索這個問題：例如如何更有效率地循環再用相關的物料，或者減少充電池中這些金屬需要的分量。希望在大家的努力之下，我們能夠在不久的將來採用更加環保的生活方式。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。