这位麻省理工学院的冶金学家能够净化铜生产吗？

科技界最伟大的发明之一始于两个意大利人因青蛙腿而引发的争执。

1800 年，全世界的科学家都对电着迷。然而，实际应用却难以实现，主要是因为没有人知道如何产生连续电流。当时，物理学家亚历山德罗·伏特 (Alessandro Volta) 站在路易吉·伽伐尼 (Luigi Galvani) 的对面，后者是一位研究青蛙的医师科学家——具体来说，他研究青蛙解剖的腿，这些腿仍与脊髓相连，并固定在黄铜或铁钩上。伽伐尼注意到，当他用不同金属制成的探针触摸青蛙腿时，它们会抽搐。伽伐尼确信肌肉产生了这种感觉，并将他的发现命名为动物电。

伏特认为，并不是两栖动物的腿产生了嗡嗡声，而是对相反金属产生的电流作出了反应。为了证明这一点，他制作了一堆交替的金属薄片（早期尝试过用锌和铜制成），用浸过盐水的布隔开以传导电流。当他将电线触碰到塔的两端时，稳定的电流流过，不需要动物的身体部位。这个伏特电堆，正如它的名字，是第一个电池。伏特在巴黎展示了该装置后，拿破仑印象深刻，甚至给了伏特一枚奖章和一笔养老金。

快进到 21 世纪，Volta 的核心元素之一铜已不仅仅是一种反驳青蛙假设的手段。

这种红色金属也是世界上最古老的金属之一，自镀金时代以来，它就成为了我们热爱电灯生活的支柱。除了银以外，它的导电性优于其他所有元素。但与银不同的是，它非常耐用——而且没有它就无法实现电气化。例如，一台新的海上风力涡轮机需要 21,000 磅铜。同时，每辆电动汽车需要 183 磅铜，行驶一英里需要 1.4 英里。（汽油汽车最多需要 49 磅。）据关注金属市场的商业情报公司 CRU 称，到 2030 年，仅电动汽车的年需求量就将达到 360 万吨。

“它是脱碳的关键金属之一，”国际铜业协会欧洲分会首席执行官伯纳德·雷斯波 (Bernard Respaut) 表示，该协会是全球铜业的非营利倡导者。“我们电气化程度越高，对铜的需求就越大。”

然而，开采更多的铜会造成环境问题。每年生产的 2270 万吨铜中，大部分都需要焙烧矿石来净化金属。这是一种高温工艺，称为火法冶金，在全球 120 多家冶炼厂中进行，其中美国有 3 家。然而，每冶炼一吨铜都会排放 2 吨碳。能源安全领导委员会 (Energy Security Leadership Council) 是一家总部位于华盛顿特区的组织，其目标是减少美国对石油的依赖，该委员会表示，虽然我们需要更多的铜，但在一个更加注重气候的美国，不太可能再增加冶炼厂。“业界认识到，我们需要在铜生产过程中脱碳，”雷斯波特补充道。

这一困境引起了麻省理工学院冶金学家、教授安托万·阿拉诺尔的注意。阿拉诺尔是试图清洁金属生产的新一波发明家之一。他专门研究从岩石中提取材料，而不燃烧煤炭或天然气等化石燃料。2022 年 2 月，他完成了由美国能源部资助的最新项目：一种采用电解工艺的反应堆，该工艺利用电流将铜从矿石中分离出来。从本质上讲，虽然 Volta 使用铜来输送电力，但 Allanore 的系统使用电力来制造铜。

2020 年从国际铜业协会技术开发和转让总监职位上退休的哈尔·斯蒂尔曼 (Hal Stillman) 表示，Allanore 的发明是“一大进步”，也是一项科学突破。“以前从未有人做过这种铜电解精炼技术，”他说。

目前，Allanore 的设备每 24 小时只能生产一两磅铜，但它展示了一个更大的原理。与此同时，该行业也在使用其他方法来净化某些矿石，而不会产生冶炼排放。为了成功，Allanore 必须说服生产商，他的技术更清洁、更高效。他的下一步是什么？一种每天生产一吨铜的反应堆。“金属生产的电气化具有开创性，”他说。“它不仅让我们避免使用某些燃料和碳排放，还为提高生产率打开了大门。”如果世界正在走向绿色，金属生产也可以。

在整个金属制造领域，将电力用作冶炼厂照明以外的其他用途的想法越来越受到关注。这是 Allanore 已经熟悉的领域：他在全球大型钢铁制造商安赛乐米塔尔担任了近五年的研究工程师。在那里，他帮助设计和建造了世界上最大的反应堆，该反应堆通过一种称为电解的技术来精炼铁，在这种技术中，电流将悬浮在电解质溶液中的金属分离。安赛乐米塔尔正在建造一个试点设施以将其付诸实践。

和铜一样，钢铁也起源于岩石。具体来说，是铁矿石，由紧密的铁原子和氧原子键组成。火法冶金用于打破这些键，这是钢铁生产的第一步。大型高炉将焦炭（一种经过加工的煤炭）燃烧至高达 3,000 华氏度，在此温度下，加热的矿石中的铁与氧气脱离。二氧化碳是主要的副产品。全球钢铁行业每年生产 20 亿吨钢铁，但它排放了超过 30 亿吨的二氧化碳——约占地球温室气体排放总量的 9%，这一数字与联合国气候变化政府间小组制定的目标直接冲突。

2008 年离开安赛乐米塔尔后，阿拉诺尔在法国国家科学研究中心休假，随后于 2010 年加入麻省理工学院，继续从事电炉钢研究。2012 年，他与他人共同创立了波士顿金属公司，这家公司从麻省理工学院分离出来，使用电流代替焦炭来加热铁矿石。他的同事兼联合创始人是唐纳德·萨多威，他是麻省理工学院的材料工程师，他自己在金属电解方面的工作可以追溯到 20 世纪 80 年代。萨多威说：“这就是未来。如果你想实现零排放，你就必须重新设计所有这些重型、化学密集型、能源密集型、排放密集型工艺。”

铜当然符合条件。超过三分之二的铜是通过火法冶金加工的，而火法冶金最常用的燃料是天然气和煤炭。根据国际能源署的数据，一个典型的冶炼炉需要消耗大约 3,830 千瓦时的能源才能炼出 1 吨铜——这大约相当于美国家庭平均四个月的用电量——每年的铜产量为 50 万吨。但这种红色金属也有自己的挑战。与最终形态下含有一些碳的钢不同，铜必须不含几乎所有的杂质才能按照现代生活的需要传输电力。Allanore 指出，铜的导电性与纯度成正比。例如，智能手机中的线路完美率为 99.9%。开采出来的铜远达不到这个水平。

刚从地下开采出来的矿石由多种元素组成，其中最主要的是硫，即铜在岩石中直接结合的原子。在这个阶段，原材料中的铜含量通常不到 1%。在运往冶炼厂之前，采矿公司会将其粉碎成沙状颗粒，然后倒入液体泡沫中，开始去除铅和锌等微量元素。剩下的就是所谓的铜精矿，其纯度只有 25% 左右。

精矿被送往冶炼厂，冶炼厂使用天然气产生高达 2,300°F 的温度对其进行焙烧。高炉燃烧会产生两种产物：炉渣，一种含有铁、硅和其他矿物质的废品；以及冰铜，或液化铜，其中仍含有一些铁和硫化物，纯度为 60%。熔融的冰铜被送往另一个温度同样高的熔炉——这个熔炉被称为转炉——吹入的氧气会抓住硫原子，形成二氧化硫。（冶炼厂会捕获大部分排放的二氧化硫，并将其制成后续工艺所需的硫酸。）该装置会吐出纯度达到 98% 的粗铜。

传统生产方式确实会使用电力来锻造金属，但仅限于最后阶段：将粗铜倒入模具中，然后放入部分由捕获的硫酸组成的电解质溶液中。接下来发生的反应类似于电池内的机制。冷却和成型后的粗铜板充当阳极（电池中释放电子的部分），纯铜薄片充当阴极（接收电子的部分）。通电后，只有带正电的铜离子会从阳极流向阴极。任何剩余的金属，如铁或铅，都会从阳极脱落并沉降到槽底，留下几乎 100% 纯度的铜阴极。

早在 2013 年， Allanore 就开始思考能否使用电力而非天然气来提纯铜。“这是人类最热衷的金属，因此它很重要，”他说。

他当年提出的电解法用一步取代了传统冶炼的所有步骤，既能将铜与硫分离，又能去除占矿石一半的铁。从纸面上看，该计划很简单：基本概念与波士顿金属公司利用电流液化铁矿石（冷却后形成钢块）的方法并无太大不同。

2018 年，美国能源部能源效率和可再生能源办公室向 Allanore 提供了 190 万美元的资助，用于尝试这一技术。“能源部了解到，电气化程度提高、能源消耗减少与金属需求增加之间存在联系，”他回忆道。

在麻省理工学院 Allanore 的实验室里，铜净化装置被安置在一个类似于超大老式电话亭的东西里面。一个陶瓷桶，底部有一个阴极，顶部有一个阳极，里面装满了大约两磅的铜精矿和一种电解液，其中部分成分是硫化镧，这是一种化学反应性元素，擅长与铜矿石中含有的微量矿物质形成化合物。

然后将桶放入一个小型燃气炉内，炉温可达到约 2,372°F。随着铜精矿加热并液化，电流通过阴极。几分钟后，铜开始落到阴极，而硫原子则向上移动到阳极。落下的金属冷却后成为纯化铜，准备制成电线；产生的硫是惰性的元素硫，而不是有毒的二氧化硫。该过程仍然需要能量来产生极端温度，但只需一次爆炸即可产生纯铜。

国际铜业协会资深专家斯蒂尔曼表示，阿拉诺尔对镧的使用是一种独特的科学见解。斯蒂尔曼目前担任芝加哥附近阿贡国家实验室金属供应链研究小组的高级顾问，他说：“在添加镧之前，你无法使用与铜的电解反应来分离它。这就创造了一种可以将铜离子与其他材料分离的情况。”

Allanore 的实验室已经证明，电解还可以提取镍、钴和锰——锂离子电池的另外三种关键矿物质。但铜才是王道。能源安全领导委员会建议，未来 25 年，我们需要生产与过去 5,000 年相同数量的金属，才能满足电动汽车的需求。这还不包括电动汽车的充电站，充电站也需要布线。

斯蒂尔曼承认，扩大该技术的规模，使其能够每天连续生产 1 吨铜（更不用说很多了）是一个重大障碍，需要采取多个步骤才能克服。首先，Allanore 需要资金来建造一个足够大的试验反应堆。他必须找到一个与采矿业有联系的工程承包商来制造一个工业规模的反应堆。然后，他必须证明，在这种规模下，使用该反应堆比传统的冶炼工艺更经济。

“谁来资助这个问题一直存在，”斯蒂尔曼说。“不过，有很多铜矿开采者对这种技术及其环境效益很感兴趣。”

与此同时，国际铜业协会的雷斯波估计，全球约 20% 的铜产量已经来自采用湿法冶金工艺的矿山。在这种装置中，水基试剂在常温下溶解矿石中的铜，制成液态金属，然后通过类似于冶炼厂使用的最后一步的方法进行净化。

然而，湿法冶金仅适用于氧化铜矿石，这种矿石的储量不如 Allanore 的反应堆可以从传统冶炼厂转移的硫化铜矿石丰富。此外，湿法冶金加工仍需要多个步骤才能生成纯铜。当 Allanore 谈到基于电流的金属加工的好处时，他的意思是，只需一个步骤，他就可以得到纯净的液态铜，可以将其制成电子产品和电池驱动汽车的电线。

不过，他的反应堆只是一个演示设备，只能生产几磅铜。Allanore 希望今年能将其展示给几家公司，展示高质量、更快、更可持续的生产是什么样子。之后，他希望进行另一轮测试，最好与冶炼或采矿场合作，看看更大的反应堆是否能每天可靠地生产 1 吨铜。

“我们需要加快获取高纯度铜的步伐，”他说。“而这正是新技术和电气化发挥关键作用的地方。”

这个故事最初刊登在 PopSci 2022 年夏季金属版上，是关于电池的三部分系列文章的第二篇。接下来阅读第一部分和第三部分。或者查看其他PopSci+故事。