【科技.未來】追逐無鈷電池 可突破電動車瓶頸?

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上月中,有報道指電動車大廠Tesla正與中國電池生產商寧德時代(CATL)洽談合作,或會在中國製Tesla中使用無鈷(cobalt)電池。雖然傳聞有待證實,但事實上,各車廠和電池生產商近年已不斷降低電池的鈷含量,到底原因何在?電池無鈷又是否這麼容易做到?

路透社上月中引述知情人士指,Tesla與寧德時代的洽談已進入後期階段,或將在中國製的電動車使用不含鈷電池。傳聞一出,不少人推測Tesla將會首次在旗下電動車使用寧德時代的磷酸鋰鐵(LFP)電池,可進一步降低生產成本。一名聲稱直接參與洽談的消息人士指,Tesla已與寧德時代洽談超過一年,若由寧德時代供應LFP電池,成本可比Tesla現有電池低「兩位數百分比」。但消息人士也說,Tesla未有計劃停用現有電池,仍不清楚會使用LFP電池至什麼程度。

Tesla行政總裁馬斯克(Elon Musk)早於2018年6月曾在Twitter上表示,Tesla Model 3的電池只使用了不多於3%的鈷,「並且下一代會完全不用」。與寧德時代合作的消息,是否代表他的承諾終於兌現?

有傳Tesla將會採用寧德時代的「無鈷電池」到其中國製電動車。(路透社)

電池為什麼要用鈷?

要了解報道的來龍去脈,先要回到最基本的問題:電池為什麼要用鈷?

鈷通常在鋰離子電池的陰極(正電極)中出現。去年的諾貝爾化學獎便是頒給在上世紀七十至八十年代間研發鋰離子電池的三位科學家。自Sony在1991年把鋰離子電池技術商業化後,這項技術至今幾乎未見有任何重要改進,電池運作的原理依然是——充電時,鋰離子會從陰極流到帶負電荷的陽極,並儲存在那裏;放電時,鋰離子會流回陰極,釋放出電子會為手機、電動摩打等供電。

鋰電池的陰極由鋰、鈷和其他金屬的氧化物一層層構成。鈷的獨特原子性質可令陰極在很小的空間儲存大量能量,有助穩定陰極的層狀結構。而鈷具有兩個先天特性——熱穩定性和高能量密度,使其非常適合用於電池。換言之,用鈷製成的陰極不易過熱或着火,且能存儲和傳輸更多能量。鈷不但用於鋰離子電池陰極,還可見於其他常用的充電電池,例如鎳鎘(nickel-cadmium)電池和鎳金屬氫化物電池。

寧德時代生產不含鈷的磷酸鋰鐵電池,可降低電池成本。(Getty Images)

可是,鈷是電池所用金屬中最為昂貴的。鈷主要作為銅和鎳開採的副產品而產生,每噸成本約為33,000至35,000美元,因而成為車廠降低電動車生產成本的一大障礙,不利於與汽油車競爭。除電動車之外,其他電子產品對鈷的需求亦不斷增加,全球生產的鈷有一半以上進入了電池材料市場,為手提電腦、手機和電動汽車提供鋰離子電池。在電池市場之外,鈷也被用於噴氣引擎的超合金、石油精煉催化劑和金屬工具,顏料更是它最早的用途之一,所謂「鈷藍色」便是來自於鈷。

據德勤(Deloitte)預期,全球電動車銷售將由2018年的200萬輛增至今年預計的400萬輛,再分別在2025年及2030年增加至1,200萬輛及2,100萬輛。光是今年歐洲出售的電動車銷量,亦預計會由去年的31.9萬輛增加至54萬輛。要應對這股新潮流,業界一方面需要有大型工廠生產電池,另一方面需要確保鋰和鈷等關鍵原材料有充足供應。

隨着電動車、手機、電腦、智能穿戴等需求日增,有學者預測,以現時的鈷產量,未必足以應付。(Getty Images)

上月中,英國車廠Jaguar Land Rover就宣布因韓國供應商LG化學的電池短缺,暫停生產電動車I-Pace一周。英國伯明翰大學戰略元素及關鍵材料中心總監Paul Anderson解釋:「現時電動車普及化最主要受限於生產能力,電池生產力不足是當中一大關鍵,這就是為什麼各地都在爭相興建大型電池工廠。」

興建電池廠相對來說較易解決,英國法拉第研究所(Faraday Institution)研究員Gavin Harper指出,真正困難在於原材料供應:「可以預期,隨着電動車需求上升,電動車電池生產所需的關鍵材料在未來可能會受到限制。」價格報告機構Benchmark Minerals預期,全球鈷需求量將從2019年的70,000噸增加至2029年的300,000噸。美國麻省理工學院(MIT)材料科學及工程系副教授Elsa Olivetti分析,若現時不開始更有效或更大量地製煉和回收鈷,未來或會出現鈷短缺。她的團隊估算,全球對鈷的需求到2030年將達235,000噸至430,000噸,至少是2016年全球製鈷產能的1.6倍。這些需求有一半來自電動車鋰離子電池及其他消費電子產品,預期它們對電池的需求會在十年內翻四倍。「最好的鋰電池陰極都含有鈷,但鈷的產量是有限的。」 Olivetti說。

歐盟有計劃正研究從深海挖礦,或可應對不斷增長的鈷需求。(Nautilus Minerals圖片)

研究如何從深海挖礦的歐盟Blue Nodules計劃協調員Laurens de Jonge認為,蘊藏於海床岩石的鈷是「我們需要的資源」,可滿足因轉型電動車而增加的鈷需求。他說,深海掘礦並不困難:「不用走進熱帶雨林或者礦洞深處。它們在海床上隨處可拾,就像是到五公里下的深海中採摘薯仔一般。」

在面積達逾100萬平方公里的海底平原上,散落了一顆顆黑色呈薯仔狀的多金屬結核(polymetallic nodules),它們被約15厘米厚的海底泥覆蓋,主要含有鎳、鈷、銅、錳等金屬,是最容易挖掘的海底金屬。較難挖掘的是位於800至2,500米深海底山表面的富鈷結殼(cobalt-rich crusts),主要含有鈷、鎳、銅、鈦、鉑等金屬,以及類金屬碲(tellurium)。

回收再用含鈷電池也是方向之一,惟有業者擔心遠水不能救近火。(Getty Images)

開源之外,回收亦是另一方法,既可減少電動車電池對環境的影響,也可循環再用重要材料,節省挖掘和處理廢料的過程。但Harper指出,現有的電池回收規模不足以應付轉型電動車的需要:「要待一定數量的電動車電池壽命結束,才能把回收再用視為一種提供資源的途徑,這還需要一點時間。在這段期間,電動車電池的生產供應需要依靠一手資源。但我們相信,回收再用在未來會扮演重要角色。」

通用汽車(GM)電池工程及電氣化策略總監Tim Grewe向科技媒體electrek指出:「我們正致力回收再用電池來緩和這情況。問題是,像我們的遠程電動車款Volt的電池仍然很強勁,有些Volt的航程可達45萬英里,而電池仍在運作,所以,如何將供應與回收結合是一大問題。」

常見鋰離子電池陰極成份(香港01製圖)

設法降低鈷使用量

車廠和電池生產商近年已設法降低電池的鈷使用量。例如,「鎳、錳和鈷」(NMC)配搭是電動車其中一種常用的三元鋰電池的陰極材質,不同廠商曾研發出不同比例的鎳、錳和鈷配搭。早期的電池中三者含量比例均等,但一些生產商如韓國的SK Innovation和LG化學已採用名為「NMC 811」的電池(即鎳、錳、鈷比例為8:1:1),把鈷的含量降低至10%。Kia、現代(Hyundai)、寶馬(BMW)和平治(Mercedes-Benz)等車廠都有使用NMC陰極。

Tesla則使用鎳、鈷和鋁(NCA)作為電池陰極。據Benchmark Materials指出,Tesla在2012年發表的Model S,每輛用了11公斤鈷,到2018年推出的Model 3,每輛的鈷用量已減至4.5公斤。

從Model S到Model 3(圖),Tesla已大大降低電池鈷用量,但要進一步降低甚至完全棄用,將是難題所在。(路透社)

這種改變似乎沒有影響Tesla的電池性能。2018年5月,Tesla在向股東發出的信件中罕有地提供了一些有關Model 3電池的細節:「Model 3所用的電池是任何電動車中能量密度最高的。我們之所以做到,是藉由大幅減少鈷含量,同時增加鎳含量,並仍然保留超卓的熱穩定性。我們的鎳、鈷、鋁陰極所含的鈷量,已比任何其他電池生產商會製造的下一代,即『鎳、錳、鈷』比例為8:1:1的陰極更低。所以,即使配備了電池,Model 3的總重量仍能匹敵汽油動力車款。」

馬斯克亦在同一年表示,「我們認為可以幾乎完全不用鈷」;向Tesla供應電池的Panasonic的電動車電池部門負責人田村憲司說:「正嘗試在可見將來達至零使用,相關研發已經展開。」

各大車廠紛紛研發鈷含量較少的電池,通用汽車本月初發布採取新電池技術Ultium,聲稱可減少70%鈷含量。(路透社)

本月初,通用汽車宣布會推出新的電池技術Ultium,行政總裁Mary Barra聲稱新技術可把電動車電池成本從現時約每千瓦時140美元減至不足100美元。一大原因在於通用汽車將採用與LG化學研製的NCMA電池,即在NMC之上加入鋁,這樣做可減少電池的鈷含量達70%,聲稱是現有任何大型袋式電池中鈷含量最低的。通用汽車工程師補充,這些電池會包裝成長而薄的袋式電池,可儲存能量比一般圓柱型電池多20倍。

更根本的方向是,以其他材質完全取代鈷,但要做到這點絕不容易。最初之所以把鈷和錳加入到鋰鎳氧化物(LNO)中,是為了穩定材料。理論上,LNO有很高的能量密度,但循環穩定性很差,且因晶格不穩定而有安全隱憂,鈷作為穩定劑而加入其中,可在整個充電循環中提供高電導率和結構穩定性。因此,直接降低電池的鈷含量雖然仍能維持電池性能在可接受的範圍,但並非沒有代價。例如,相比起鎳鈷含量比例相同的組合,各種鎳含量較高的NMC組合的熱穩定性及循環穩定性都急劇下降。從NMC 111到NMC 532、622和811,鎳含量比例依順序增加,鈷含量比例以至電池循環穩定性和安全性卻依次降低。

要完全棄用鈷並不容易,畢竟其能量密度相比其他材料是最大優勢。圖為Tesla電池樣本。(Getty Images)

Benchmark Mineral分析師Caspar Rawles向科技媒體The Verge表示:「Tesla使用的NCA組合鈷含量已經很低。我認為他們很難再進一步減少鈷含量,這在工程上會出現難題。」他指的難題是:「鈷是電池陰極的保護元素,當你減少它,意味着減少了電池的生命周期,而且還有安全疑慮,少用了鈷代表多用了鎳,電池可能會因而過熱,並且無法自行有效降溫,最終燃燒起來。」波士頓諮詢公司BCG亦表示,NMC和NCA的一大缺點是容易出現「熱失控」,即過度充電的電池可能會引起火災。美國匹茲堡大學化工系助理教授James McKone則對科技媒體Inverse說:「整個行業正朝着用其他金屬如鎳和錳的組合邁進,可取代高達90%的鈷……而真正的挑戰將是完全不用鈷,這需要重新思考電池的基本化學組合。」

寧德時代所採用的無鈷電池以LFP為陰極,反映出這種無鈷電池的另一「死穴」。之所以傳出Tesla採用這種電池能降低成本,是因為其他使用鎳、錳、鋁和鈷的電池類型組裝較為複雜,相關金屬的價格也較為浮動。相反,LFP使用成本較低的材料,且容易合成,根據彭博新能源財經的資料,LFP電池可以比使用鎳的電池便宜約20%。現時,內地一些電動巴士和某些乘用車已使用了LFP電池。

電池陰極材質能量密度比較(香港01製圖)

然而, Tesla會否真的採用LFP電池仍值得懷疑。一方面,Tesla的乘用車從未使用過這種電池;另一方面,含鈷電池之所以大行其道,是因為它密度較高,可以延長電動車每次充電之間的續航距離,解決據稱令不少人抗拒電動車的所謂「距離焦慮」問題。市場研究公司IDTechEx首席分析師何曉溪指出:「LFP(相比NMC)較為穩定,但缺點在於能量密度不足。」或正如Grewe最直接的疑問:「現在都在說要棄用鈷,但不用的話,你如何維持同樣的能量密度?」或許,馬斯克會在於4月中舉行的Tesla電池日上給我們答案。

中國電池材料生產商北大先行科技董事局副主席高原反駁,LFP電池在乘用車上未必毫無用處:「對北京或上海的大城市人來說,能行駛150公里已足夠了。」中國最大新能源汽車製造商比亞迪(BYD)本月初宣布,今年年中開始,旗下新運動型多用途車款(SUV)將採用最新的無鈷電池,每次充電可行駛逾600公里的「漢」型號SUV亦會使用與鎳鈷電池續航距離相約的LFP電池。摩根士丹利(Morgan Stanley)預期,LFP的中期需求將會上升,但隨着鎳鈷電池發展更為先進(預計未來三年可減少20%成本),LFP最終將被取代。

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上文節錄自第204期《香港01》周報(2020年3月9日)《電動車普及現障礙 如何突破無鈷瓶頸?》。

更多周報文章︰【01周報專頁】

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