【科技．未来】追逐无钴电池 可突破电动车瓶颈？
上月中，有报道指电动车大厂Tesla正与中国电池生产商宁德时代（CATL）洽谈合作，或会在中国制Tesla中使用无钴（cobalt）电池。虽然传闻有待证实，但事实上，各车厂和电池生产商近年已不断降低电池的钴含量，到底原因何在？电池无钴又是否这么容易做到？
路透社上月中引述知情人士指，Tesla与宁德时代的洽谈已进入后期阶段，或将在中国制的电动车使用不含钴电池。传闻一出，不少人推测Tesla将会首次在旗下电动车使用宁德时代的磷酸锂铁（LFP）电池，可进一步降低生产成本。一名声称直接参与洽谈的消息人士指，Tesla已与宁德时代洽谈超过一年，若由宁德时代供应LFP电池，成本可比Tesla现有电池低“两位数百分比”。但消息人士也说，Tesla未有计划停用现有电池，仍不清楚会使用LFP电池至什么程度。
Tesla行政总裁马斯克（Elon Musk）早于2018年6月曾在Twitter上表示，Tesla Model 3的电池只使用了不多于3%的钴，“并且下一代会完全不用”。与宁德时代合作的消息，是否代表他的承诺终于兑现？
电池为什么要用钴？
要了解报道的来龙去脉，先要回到最基本的问题：电池为什么要用钴？
钴通常在锂离子电池的阴极（正电极）中出现。去年的诺贝尔化学奖便是颁给在上世纪七十至八十年代间研发锂离子电池的三位科学家。自Sony在1991年把锂离子电池技术商业化后，这项技术至今几乎未见有任何重要改进，电池运作的原理依然是——充电时，锂离子会从阴极流到带负电荷的阳极，并储存在那里；放电时，锂离子会流回阴极，释放出电子会为手机、电动摩打等供电。
锂电池的阴极由锂、钴和其他金属的氧化物一层层构成。钴的独特原子性质可令阴极在很小的空间储存大量能量，有助稳定阴极的层状结构。而钴具有两个先天特性——热稳定性和高能量密度，使其非常适合用于电池。换言之，用钴制成的阴极不易过热或着火，且能存储和传输更多能量。钴不但用于锂离子电池阴极，还可见于其他常用的充电电池，例如镍镉（nickel-cadmium）电池和镍金属氢化物电池。
可是，钴是电池所用金属中最为昂贵的。钴主要作为铜和镍开采的副产品而产生，每吨成本约为33,000至35,000美元，因而成为车厂降低电动车生产成本的一大障碍，不利于与汽油车竞争。除电动车之外，其他电子产品对钴的需求亦不断增加，全球生产的钴有一半以上进入了电池材料市场，为手提电脑、手机和电动汽车提供锂离子电池。在电池市场之外，钴也被用于喷气引擎的超合金、石油精炼催化剂和金属工具，颜料更是它最早的用途之一，所谓“钴蓝色”便是来自于钴。
据德勤（Deloitte）预期，全球电动车销售将由2018年的200万辆增至今年预计的400万辆，再分别在2025年及2030年增加至1,200万辆及2,100万辆。光是今年欧洲出售的电动车销量，亦预计会由去年的31.9万辆增加至54万辆。要应对这股新潮流，业界一方面需要有大型工厂生产电池，另一方面需要确保锂和钴等关键原材料有充足供应。
上月中，英国车厂Jaguar Land Rover就宣布因韩国供应商LG化学的电池短缺，暂停生产电动车I-Pace一周。英国伯明翰大学战略元素及关键材料中心总监Paul Anderson解释：“现时电动车普及化最主要受限于生产能力，电池生产力不足是当中一大关键，这就是为什么各地都在争相兴建大型电池工厂。”
兴建电池厂相对来说较易解决，英国法拉第研究所（Faraday Institution）研究员Gavin Harper指出，真正困难在于原材料供应：“可以预期，随着电动车需求上升，电动车电池生产所需的关键材料在未来可能会受到限制。”价格报告机构Benchmark Minerals预期，全球钴需求量将从2019年的70,000吨增加至2029年的300,000吨。美国麻州理工学院（MIT）材料科学及工程系副教授Elsa Olivetti分析，若现时不开始更有效或更大量地制炼和回收钴，未来或会出现钴短缺。她的团队估算，全球对钴的需求到2030年将达235,000吨至430,000吨，至少是2016年全球制钴产能的1.6倍。这些需求有一半来自电动车锂离子电池及其他消费电子产品，预期它们对电池的需求会在十年内翻四倍。“最好的锂电池阴极都含有钴，但钴的产量是有限的。” Olivetti说。
研究如何从深海挖矿的欧盟Blue Nodules计划协调员Laurens de Jonge认为，蕴藏于海床岩石的钴是“我们需要的资源”，可满足因转型电动车而增加的钴需求。他说，深海掘矿并不困难：“不用走进热带雨林或者矿洞深处。它们在海床上随处可拾，就像是到五公里下的深海中采摘薯仔一般。”
在面积达逾100万平方公里的海底平原上，散落了一颗颗黑色呈薯仔状的多金属结核（polymetallic nodules），它们被约15厘米厚的海底泥覆盖，主要含有镍、钴、铜、锰等金属，是最容易挖掘的海底金属。较难挖掘的是位于800至2,500米深海底山表面的富钴结壳（cobalt-rich crusts），主要含有钴、镍、铜、钛、铂等金属，以及类金属碲（tellurium）。
开源之外，回收亦是另一方法，既可减少电动车电池对环境的影响，也可循环再用重要材料，节省挖掘和处理废料的过程。但Harper指出，现有的电池回收规模不足以应付转型电动车的需要：“要待一定数量的电动车电池寿命结束，才能把回收再用视为一种提供资源的途径，这还需要一点时间。在这段期间，电动车电池的生产供应需要依靠一手资源。但我们相信，回收再用在未来会扮演重要角色。”
通用汽车（GM）电池工程及电气化策略总监Tim Grewe向科技媒体electrek指出：“我们正致力回收再用电池来缓和这情况。问题是，像我们的远程电动车款Volt的电池仍然很强劲，有些Volt的航程可达45万英里，而电池仍在运作，所以，如何将供应与回收结合是一大问题。”
设法降低钴使用量
车厂和电池生产商近年已设法降低电池的钴使用量。例如，“镍、锰和钴”（NMC）配搭是电动车其中一种常用的三元锂电池的阴极材质，不同厂商曾研发出不同比例的镍、锰和钴配搭。早期的电池中三者含量比例均等，但一些生产商如韩国的SK Innovation和LG化学已采用名为“NMC 811”的电池（即镍、锰、钴比例为8：1：1），把钴的含量降低至10%。Kia、现代（Hyundai）、宝马（BMW）和平治（Mercedes-Benz）等车厂都有使用NMC阴极。
Tesla则使用镍、钴和铝（NCA）作为电池阴极。据Benchmark Materials指出，Tesla在2012年发表的Model S，每辆用了11公斤钴，到2018年推出的Model 3，每辆的钴用量已减至4.5公斤。
这种改变似乎没有影响Tesla的电池性能。2018年5月，Tesla在向股东发出的信件中罕有地提供了一些有关Model 3电池的细节：“Model 3所用的电池是任何电动车中能量密度最高的。我们之所以做到，是借由大幅减少钴含量，同时增加镍含量，并仍然保留超卓的热稳定性。我们的镍、钴、铝阴极所含的钴量，已比任何其他电池生产商会制造的下一代，即‘镍、锰、钴’比例为8：1：1的阴极更低。所以，即使配备了电池，Model 3的总重量仍能匹敌汽油动力车款。”
马斯克亦在同一年表示，“我们认为可以几乎完全不用钴”；向Tesla供应电池的Panasonic的电动车电池部门负责人田村宪司说：“正尝试在可见将来达至零使用，相关研发已经展开。”
本月初，通用汽车宣布会推出新的电池技术Ultium，行政总裁Mary Barra声称新技术可把电动车电池成本从现时约每千瓦时140美元减至不足100美元。一大原因在于通用汽车将采用与LG化学研制的NCMA电池，即在NMC之上加入铝，这样做可减少电池的钴含量达70%，声称是现有任何大型袋式电池中钴含量最低的。通用汽车工程师补充，这些电池会包装成长而薄的袋式电池，可储存能量比一般圆柱型电池多20倍。
更根本的方向是，以其他材质完全取代钴，但要做到这点绝不容易。最初之所以把钴和锰加入到锂镍氧化物（LNO）中，是为了稳定材料。理论上，LNO有很高的能量密度，但循环稳定性很差，且因晶格不稳定而有安全隐忧，钴作为稳定剂而加入其中，可在整个充电循环中提供高电导率和结构稳定性。因此，直接降低电池的钴含量虽然仍能维持电池性能在可接受的范围，但并非没有代价。例如，相比起镍钴含量比例相同的组合，各种镍含量较高的NMC组合的热稳定性及循环稳定性都急剧下降。从NMC 111到NMC 532、622和811，镍含量比例依顺序增加，钴含量比例以至电池循环稳定性和安全性却依次降低。
Benchmark Mineral分析师Caspar Rawles向科技媒体The Verge表示：“Tesla使用的NCA组合钴含量已经很低。我认为他们很难再进一步减少钴含量，这在工程上会出现难题。”他指的难题是：“钴是电池阴极的保护元素，当你减少它，意味着减少了电池的生命周期，而且还有安全疑虑，少用了钴代表多用了镍，电池可能会因而过热，并且无法自行有效降温，最终燃烧起来。”波士顿咨询公司BCG亦表示，NMC和NCA的一大缺点是容易出现“热失控”，即过度充电的电池可能会引起火灾。美国匹兹堡大学化工系助理教授James McKone则对科技媒体Inverse说：“整个行业正朝着用其他金属如镍和锰的组合迈进，可取代高达90％的钴……而真正的挑战将是完全不用钴，这需要重新思考电池的基本化学组合。”
宁德时代所采用的无钴电池以LFP为阴极，反映出这种无钴电池的另一“死穴”。之所以传出Tesla采用这种电池能降低成本，是因为其他使用镍、锰、铝和钴的电池类型组装较为复杂，相关金属的价格也较为浮动。相反，LFP使用成本较低的材料，且容易合成，根据彭博新能源财经的资料，LFP电池可以比使用镍的电池便宜约20%。现时，内地一些电动巴士和某些乘用车已使用了LFP电池。
然而， Tesla会否真的采用LFP电池仍值得怀疑。一方面，Tesla的乘用车从未使用过这种电池；另一方面，含钴电池之所以大行其道，是因为它密度较高，可以延长电动车每次充电之间的续航距离，解决据称令不少人抗拒电动车的所谓“距离焦虑”问题。市场研究公司IDTechEx首席分析师何晓溪指出：“LFP（相比NMC）较为稳定，但缺点在于能量密度不足。”或正如Grewe最直接的疑问：“现在都在说要弃用钴，但不用的话，你如何维持同样的能量密度？”或许，马斯克会在于4月中举行的Tesla电池日上给我们答案。
中国电池材料生产商北大先行科技董事局副主席高原反驳，LFP电池在乘用车上未必毫无用处：“对北京或上海的大城市人来说，能行驶150公里已足够了。”中国最大新能源汽车制造商比亚迪（BYD）本月初宣布，今年年中开始，旗下新运动型多用途车款（SUV）将采用最新的无钴电池，每次充电可行驶逾600公里的“汉”型号SUV亦会使用与镍钴电池续航距离相约的LFP电池。摩根士丹利（Morgan Stanley）预期，LFP的中期需求将会上升，但随着镍钴电池发展更为先进（预计未来三年可减少20%成本），LFP最终将被取代。
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上文节录自第204期《香港01》周报（2020年3月9日）《电动车普及现障碍 如何突破无钴瓶颈？》。
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