中美歐日電池技術競賽開打！鋰電池零碳排提煉，鎂電高容量，鈉電池低成本！

　　我們的日常生活現已離不開「鋰」，譬如閣下隨身攜帶的手機內就裝配了鋰電池。近年鋰電池更成為電動車不可或缺的重要零件，於是全球對鋰的需求不斷上升，刺激鋰價持續上漲，讓鋰被譽為「白金」（White Gold）。為滿足鋰需求，各國除積極部署國產鋰供應鏈外，更著手開發鋰電池替代品：中國、美國、歐洲、日本的企業與研究機構已埋首於研製鎂電池或鈉電池，可見一場「後鋰電池」時代的全球技術競賽經已開打了！

 

2022年鋰短缺5,000公噸

 

　　鋰是一種柔軟的銀白色金屬，重量極輕，可浮在水上；同時，它的原子量也很小，用來製作電池陽極，可提供很高的能量密度。目前鋰電池已廣泛應用於智能手機、筆記簿型電腦、電動車，甚至風能或太陽能發電站的儲能系統。

 

　　國際市調機構標普智匯（S&P Global Market Intelligence）的數據顯示，2022年全球鋰供應量可望達到63.6萬噸碳酸鋰約當量，同年鋰需求量則預計為64.1萬噸；換言之，全球鋰市場將有5,000公噸的供應缺口。

 

　　因此，近期鋰的價格不斷飇升。美國銀行（Bank of America）分析指，在全球鋰需求增長的帶動下，鋰價在2021年已暴漲近300%，來到2022年初更攀升到每公斤40美元（約312港元）以上，預測2022年底有機會上漲至每公斤50美元（約390港元）以上。不過，未來一年鋰價漲幅將較2021年有所減緩，主要原因是預期鋰價大漲後，各地鋰供應商已積極擴產。

 

鋰（Lithium）是最輕的金屬和最輕的固體元素，可以浮在水上，在地殼中的含量只有0.0065%。（圖片來源：維基百科）

 

中國佔鋰供應鏈主導地位

 

　　目前鋰礦物大部分來自澳洲和「南美鋰三角」：波利維亞、阿根廷、智利；在鋰電池製造領域上，則由中國佔據主導位置。彭博新能源（Bloomberg NEF）的數據顯示，中國的主導地位建基於國內龐大的電池需求，並且掌控全球原材料冶煉的80%、全球電池容量的77%，以及全球電池組件製造的60%。

 

　　根據彭博新能源2020年鋰電池供應鏈排行榜，中國穩佔首席、日本緊隨其後、韓國位列第三、加拿大與德國雙雙排名第四、美國則為第六位。預計到2025年首席與次名的排名將會保持不變，而美國因積極投入國內供應鏈部署，有望躍升至第三位。

 

　　美國政府於2021年6月發表國內鋰生產和提煉，以及鋰電池製造的藍圖，目標是2030年全國電動車銷量達到50%。現時內華達州、加州、北卡羅萊納州、阿肯色州等地已展開鋰生產計劃。

 

Controlled Thermal Resources現已在加州索爾頓湖區進行鑽探，預計於2023年底完成50MW地熱發電容量，並在2024年交付20,000噸氫氧化鋰。（圖片來源：Controlled Thermal Resources官網）

 

美加快部署國內鋰供應鏈

 

　　以內華達州為例，美洲鋰業公司（Lithium Americas）已獲政府批准，在塔克帕斯（Thacker Pass）進行鋰礦開採計劃。該礦場坐落於內華達州雷諾（Reno）以北約200英里的一座超級死火山內，佔地2平方英里，鋰儲藏量高達310萬公噸，是美國最大的鋰礦床。該公司希望可以在2022年啟動採礦作業，預計每年可生產6萬公噸電池級碳酸鋰。

 

　　不過，開採鋰礦過程卻會對環境造成破壞。以智利阿塔卡馬（Atacama）沙漠的鋰礦場為例，業者需要從地下水道抽出數百萬加侖水，然後注入綿延數英里的大型池塘進行蒸發，以收集和提煉留下的鋰礦渣，平均每噸鋰產出就要消耗約18,000加侖淡水，更會產生大量化學物質污染周遭環境。

 

　　因此，Thacker Pass開採計劃已引起美國原住民與環保人士的抗議。有環保團體表示，每製造一輛電動車便會產生9噸溫室氣體，而且採礦也會有碳排放，遂在Thacker Pass紮營抗議11個月，使到開採計劃持續延宕。

 

新技術從鹽水提取鋰礦物

 

　　幸好，近年已研發出新技術，能以不浪費水的方式來提煉鋰。美國初創公司Lilac Solutions與來自澳洲的地熱能源開發商Controlled Thermal Resources（CTR）合作，擬於2023年在加州索爾頓湖（Salton Sea）提取鋰礦物。CTR會尋找適當的地熱點，鑽探到地下數千英呎，抽取攝氏400至500高溫的鹽水，用作蒸氣發電。

 

　　跟著，Lilac會在鹽水中加入可重複使用的附著劑，吸收鹽水中90%的鋰，製成碳酸鋰或氫氧化鋰；經處理後的水會直接注回地底，以免地下水流失。由此看來，這種透過零碳排能源所開採的鋰，幾乎不會造成水資源浪費。通用汽車（General Motors）已於2021年夏季向CTR投資數百萬美元，以取得這些鋰的優先採購權。

 

　　此開採模式一旦成功的話，就可以使這個加州最窮困的地區鹹魚翻身，變成鋰生產基地「鋰谷」（Lithium Valley）。業界推估，到2024年當地可年產2萬噸氫氧化鋰，足夠製造40萬輛特斯拉（Tesla）電動車所需的鋰電池，最終更可望把產能提高至年產30萬噸。

 

現售Tesla電動車主要採用圓柱形的鎳鈷鋁（NCA）三元鋰電池。圖中為特斯拉電池主要供應商Panasonic的電池生產線。（圖片來源：Panasonic官網）

為了在智利阿塔卡馬提取鋰，礦業者需將地下鹽水從20至40米深的地方抽上來，跟著注入蒸發池，將水蒸發數月後，留下的礦渣中鋰濃度可達6%，然後再進行化學加工，製成碳酸鋰。但這個過程降低了沙漠地區的地下水位，導致沙漠化加劇。圖中為智利礦業化工（SQM）在阿塔卡馬的鋰礦場。（圖片來源：SQM官網）

 

鎂電池具高能量密度優勢

 

　　縱然對環境影響較小的採礦技術經已出現，惟因為鋰價太高，電池開發商或許會投向完全繞過鋰的新電池技術。事實上，鋰在地殼中的含量非常少，約為0.0065%，估計全球儲藏量僅有8,600萬噸；相比起來，鈉、鎂的蘊藏量就要高得多：鈉在地殼中的含量為2.74%，鎂含量更高達13.9%。於是，科學家們開始將目光投向鈉、鎂等金屬。

 

　　2019年，英國劍橋大學、丹麥與以色列的理工科院校、德國與西班牙的研究機構聯合發起一個名為「歐盟鎂交互電池共同體」（E-Magic）的研究項目，取得歐盟670萬歐元（約5,880萬港元）資助，目標是開發能量密度高達每升1,000瓦時的鎂電池。現時實驗室中研製出來的鎂電池已可重複充放電500次以上。

 

　　2020年，美國休斯頓大學與北美豐田研究中心共同研製出一種高能量的鎂電池，可適用於電動車、儲能系統等。其陰極材料使用有機化合物，陽極則用上芘四酮（PTO），再加上基於硼塊的弱配位電解質，可讓離子運動變得更快。雖然這種電池暫時只能重複充放電200多次，惟研究團隊卻表示已找到開發高穩定性、高性能電池的方向了。

 

　　鎂電池以鎂作為陽極，1個鎂離子能夠攜帶2個電子，跟只能攜帶1個電子的鋰離子相比，可使電池容量增加到2倍以上，應用到電動車有助增強其續航力。

 

鎂（Magnesium）是地殼中含量第八多、海洋中溶解第三多的元素，也是地球中第四常見的元素（前四名分別是鐵、氧、矽、鎂）。（圖片來源：維基百科）

 

鈉電池容易生產且成本低

 

　　2020年，來自史丹福大學的初創公司Natron Energy，獲得美國能源部高級研究計劃局1,990萬美元（約1.55億港元）資助，用於開發鈉電池。研究團隊採用普魯士藍類似物（Prussian Blue Analogue）作為陽極和陰極材料，搭配水系電解質來製作電池，宣稱8分鐘即可充滿電，更能重複使用5萬次以上，適用於電動車與數據中心的後備電源系統。

 

　　2021年7月，中國電池業巨擘寧德時代發表一款鈉電池，聲稱具有超快充特性，只需15分鐘即可充電80%。目前其能量密度為每千克160瓦時，低於鋰電池的每千克285瓦時，但在攝氏零下20度的環境下仍可穩定供電。寧德時代表示，這種鈉電池適用於低價電動汽車，目標是2023年能夠建立基礎產業鏈。

 

　　2021年11月，日本電氣硝子（Nippon Electric Glass）宣布，成功研發出全固態鈉電池，陽極材料棄用遇水即會產生劇烈反應的鈉，改用穩定性較高的結晶玻璃，有效提高電池運作的安全性。

 

鎂鈉電池技術仍有待改進

 

　　鈉電池的最大優勢是，毋須使用鋰、鈷等稀有金屬，電極材料主要是鹽，很容易從海水中提煉，不但更易實現穩定供應，生產成本也比較低。日本市調機構富士經濟評估，鈉電池2020年的全球市場規模僅為1億日圓（約700萬港元），但到2035年可望暴增至493億日圓（約33.7億港元）。

 

　　儘管各種鋰電池替代技術研究進行得如火如荼，惟鎂、鈉電池在技術與材料上仍有很多難題需要克服。鎂離子體積小、電荷密度大、極化作用強，較難形成嵌入式化合物，致使可供選擇的陰極材料受限，所以距離大規模商業化應用還有相當距離。

 

　　鈉電池技術相對地較為成熟，但因為鈉離子半徑與體積較大，以致在能量密度提升上受到限制，可能較適合用於對能量密度要求不高的裝置，如低價電動車或儲能系統。由是觀之，研究人員今後仍需致力於改進電極材料，務求研製出成本更低、性能更強的鋰電池替代品，以滿足電動車市場增長所帶來的龐大電池需求。

 

鈉（Sodium）是地殼中含量第六多、海洋中溶解第一多的元素（前三名分別是鈉、氯、鎂。（圖片來源：維基百科）

寧德時代鈉電池的能量密度比一般鋰電池還要少上4成，因此該公司擬開發鈉AB電池解決方案，把鈉電池與鋰電池整合至同一電池系統。這樣既可讓電池配置更加多元化，又可彌補鈉電池能量密度不足的缺點。（圖片來源：寧德時代官網）

Natron Energy現已推出鈉電池產品「Natron BlueTray 4000」，可提供給數據中心作為後備電源系統。（圖片來源：Natron Energy官網）

 

 

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