29 种长期被忽视的元素如何决定清洁能源革命的成败

2006 年 12 月，能源分析师威廉·塔希尔在网上发表了一篇题为《锂的麻烦》的论文。他的论点让许多人感到震惊，他们原本希望通过快速发展锂离子电池驱动的电动汽车来实现更清洁、更繁荣的经济。

他认为，问题在于，世界上没有足够的经济可回收锂资源来支持这种转变。此外，现有的可回收锂资源仅集中在少数几个国家。“如果世界用锂离子电池替代石油，”他写道，“南美洲将成为新的中东。玻利维亚将比沙特阿拉伯更受世界关注。美国将再次依赖外部资源来供应一种关键的战略矿产，而拥有大量锂矿的中国“将实现一定程度的自给自足。”

本文改编自高级编辑 Seth Fletcher 撰写的《瓶装闪电：超级电池、电动汽车和新锂经济》，该书于 5 月 10 日由 Hill & Wang 出版。Tahil 并不是最可靠的来源。当年早些时候，他发表了另一篇论文《归零地：世界贸易中心的核爆》。他在论文中指出，2001 年 9 月 11 日，被劫持的客机撞上双子塔时，埋在世界贸易中心地下约 260 英尺处的两座核反应堆被故意熔化。尽管如此，“锂峰值”是一个不可抗拒的故事。特斯拉汽车公司和通用汽车公司最近都推出了 21 世纪首款电动汽车，这两款汽车都使用锂电池。2008 年 7 月，英国《卫报》总结了这一问题：“由于石油供应持续令人担忧，人们的注意力转向电动汽车的锂。但关于锂有多少可用，争论十分激烈。”

2010 年 1 月，我参加了在拉斯维加斯举行的第二届锂供应与市场会议。在小组讨论间隙，我采访了 R. Keith Evans，他是一位研究全球锂矿床 40 多年的地质学家。Tahil 的论文让 Evans 退休后重操旧业。“那完全是胡说八道，”他说。

在从会议厅乘坐扶梯前往赌场的途中，他讲述了塔希尔如何启发他撰写了《锂的丰富性》一书，该书对全球锂供应量进行了最新估算。埃文斯说，这并不是第一次出现锂恐慌。他告诉我，1975 年，美国地质调查局召开了一次紧急会议，警告用于核聚变反应堆的锂即将短缺。那次恐慌促使人们首次对西方世界的锂供应量进行了认真的估算，1975 年的估算值为 1065 万公吨。在随后的几年里，地质学家不断发现更多的矿藏。到 2010 年，埃文斯估计已知的全球供应量为大约 2840 万公吨锂金属，或 1.5 亿公吨碳酸锂，碳酸锂是锂最常见的生产和销售形式。相比之下，当年全球锂市场约为 10 万公吨。电动汽车的繁荣可能会在十年内使这一需求翻一番，但即便如此，埃文斯说，锂资源仍然充足。
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点击此处详细了解可能推动清洁能源革命的六大要素。

当我见到埃文斯时，另一种潜在的资源短缺问题正在成为头条新闻。中国生产着全球 95% 的稀土金属——这类元素大量用于制造混合动力汽车、风车和其他清洁能源技术——它发出了削减出口的意图，声称必须减少产量才能保护其储备。去年 9 月，中国利用其稀土垄断作为武器，暂停向日本发货，以报复日本扣押一艘中国渔船。几乎同时，美国能源部官员就美国稀土元素供应状况在国会山​​作证。

从那时起，人们对清洁能源技术所用元素供应的担忧愈演愈烈。今年 2 月，代表美国物理学会和材料研究学会的科学家委员会警告称，我们的矿产供应脆弱性不仅限于稀土。美国 90% 的“能源关键元素”都依赖其他国家——稀土等 29 种元素的固有特性使其成为薄膜太阳能电池板、高效风力涡轮机、先进电动汽车发动机、高容量电池和其他清洁能源创新的必要成分。委员会警告称，供应中断可能会“严重阻碍”无化石燃料发明的有效部署，而这些发明“原本可以改变我们生产、传输、存储或节约能源的方式”。

当石油价格低廉，而且似乎取之不尽时，汽油发动机的低效率是可以接受的。但石油不再便宜，而且也不是取之不尽的。
虽然并非所有这些元素都是稀有的，但它们的储量都不如 20 世纪工业的主要原材料：铁、铝、硅和其他九种构成地壳 99% 的元素。从历史上看，只有从事实验室规模项目的科学家才会大量使用它们，因此地质学家几乎没有动力去寻找新的来源。其结果是，人们对能源关键元素的普遍性、可用性和成本效益知之甚少。这种知识的缺乏滋生了焦虑。例如，2010 年 8 月，自由主义杂志《理性》刊登了一篇标题为“忘记石油峰值吧。锂峰值、钕峰值和磷峰值呢？”的文章。就锂而言，随着我们对该元素的丰度了解得越来越多，恐慌已经开始消退。但其他 28 种能源关键元素的情况会如此吗？锂的供应状况能告诉我们关于其他元素的什么信息？

要理解为什么一组不起眼的元素会突然引起如此关注，不妨考虑一下汽油驱动汽车和电动汽车之间的竞争。内燃机本质上是一种效率低下的机器。普通汽油驱动汽车只能将 12.6% 的汽油能量转化为功。但石油的高能量密度弥补了发动机的不足。每加仑汽油含有 33,000 瓦时的能量。即使其中的 12.6% 也足以推动一辆几千磅重的汽车在高速公路上行驶 30 多英里。当石油价格低廉且似乎取之不尽时——就像 20 世纪大部分时间一样——这种低效率是可以接受的。

然而，石油不再便宜，而且肯定不是取之不尽的。我们已经进入了汉普郡学院教授迈克尔·克莱尔所说的“艰难石油时代”，在这个时代，易于开采的矿藏已经枯竭，迫使我们钻探深达数英里的海底石油。与此同时，印度和中国日益壮大的中产阶级似乎准备在 2050 年之前将地球上的汽车数量翻一番，达到 20 亿辆。

如果电动汽车要取代燃气汽车，就需要最好的电池，而如今这些电池都是以锂电池为基础的。锂是元素周期表中第三轻的元素，非常适合轻量级储能。由于其极高的反应性，它可以成为比任何其他元素都更能产生能量密度的电池的基础。可充电锂电池已经帮助改变了便携式电子产品，使 30 盎司的摩托罗拉 DynaTAC（俗称华尔街的迈克尔·道格拉斯手机）变成了 4.8 盎司的 iPhone 4。现在汽车制造商正在押注锂可以同样改变交通运输。

但锂和以锂为基础的电池只是更大系统的一部分。要充分利用电池中存储的每一毫瓦时电能，就需要尽可能高效的电动机——而电动机中的磁铁需要钕和镝等稀土元素。利用风能和太阳能等可再生能源发电也需要超高效的机器。当然，最高效的风力涡轮机使用稀土磁铁；先进的薄膜太阳能电池板使用碲或铟。

在以上每种情况下，能源都是如此宝贵，以至于值得花费金钱和精力去寻找性能最佳的材料，即使它们需要的元素很难找到。麻省理工学院材料科学教授、撰写 APS/MRS 矿产供应脆弱性论文的委员会成员 Gerbrand Ceder 说：“如果你用家里每千瓦时 10 美分的插座来驱动这台电动机，谁会在乎它是一块效率较低的磁铁呢？”“相反，我们正在推动许多能源使用至关重要且能源非常昂贵的应用。”目前，能源关键元素在家用电器中并不是必需的。然而，如果没有它们，风力涡轮机和电动汽车几乎就不值得建造。

然而，实现这种效率的要素的成本和可用性可能是一个问题。要大规模部署，清洁能源时代的机器必须与当今基于化石燃料的系统具有成本竞争力。但清洁技术除非大规模生产，否则不可能具有成本竞争力，如果原材料无法获得且价格昂贵，就无法批量生产。

正如 APS/MRS 报告指出的那样，如果金钱无限，“任何化学元素的供应都没有绝对的限制，至少在可预见的未来是这样。”理论上，科学家可以从一桶随机的泥土中提取出许多元素的微量元素——但这样做可能要花费一大笔钱。因此，关于钕、碲、锂和其他 26 种能源关键元素，有两个关键问题：它们有多少？更重要的是，将它们从地下开采出来需要花费多少钱？

全球最大的锂生产商智利化工矿业公司 (SQM) 位于智利的阿塔卡马沙漠。这里是地球上最干旱的地方，土壤极其贫瘠，以至于 NASA 曾用它来校准探测火星微生物的机器人。去年 5 月，我到智利北部参观该公司的运营情况。SQM 的营销经理 Andrés Yaksic 在圣佩德罗德阿塔卡马与我会面。圣佩德罗德阿塔卡马是一处旅游绿洲，位于 SQM 工厂以北约 50 英里处。在一个晴朗、寒冷的早晨，我们出发前往工厂。我们向南驶向阿塔卡马盐沼，天空呈现出一尘不染的钴蓝色。阿塔卡马盐沼是全球最丰富的锂源之一。SQM 表示，阿塔卡马盐沼蕴藏着约 4000 万吨可经济开采的碳酸锂。

在高速公路上行驶了大约一个小时后，我们右转，驶上一条穿过盐沼的碎石路。推土机铲平的盐坝和郊区办公楼大小的白色土丘点缀着这片土地。我们在一座小办公楼前停下，穿上靴子、橙色安全背心和安全帽。然后我们走出去见阿尔瓦罗·西斯特纳斯，他是一位身材魁梧、皮肤黝黑的运营经理，他将带我们去蒸发池。

SQM 工厂的卫星图像显示，巨大的白色和天蓝色方块被雕刻在可可色的土地上，就像世界上最大的游泳设施。在这些池子里，从地下蓄水层抽出的盐水在类火星太阳下烘烤数月。水蒸发，盐水浓缩，随着时间的推移，矿物质开始沉淀。后来，用于生产锂的盐水被输送到一系列专门的蒸发池中，每个蒸发池的颜色都是深黄色。然后，一辆油罐车将最终产品（6% 的锂溶液）运送到三小时车程外的太平洋海岸的一家工厂。在那里，它被加工成碳酸锂，这是一种白色的粉末，看起来很像可卡因，我都不敢带着样品飞回美国。

穿过盐池后，西斯特纳斯开车带我们来到一座小盐山的山顶，这座山被留作观景台。蒸发池、拖拉机、卡车、附属建筑和珍贵盐山绵延数英里，但那里的空气如此干燥清澈，视野如此开阔，很难确切地了解盐场的规模。

目前，家用电器中不需要这些能源关键元素，但如果没有它们，风力涡轮机和电动汽车几乎就不值得制造。SQM 每年从这片盐沼开采出全球 31% 的锂，而这仅仅是盐沼已知 4000 万公吨储量的 4 万公吨。此前，Yaksic 曾告诉我，在几个月内，业务规模就可以扩大到全球总需求量的三到四倍。现在，为了强调该公司世界一流的产能，Cisternas 和 Yaksic 指着远处的一组水池，解释说，SQM 实际上每年将数十万公吨的锂泵回盐沼——这些锂是人们在追求真正的赚钱方法时不可避免地收获的。尽管是世界上最大的锂供应商，SQM 的收入更多来自“特种植物营养”，即为我们的绣球花和天竺葵提供钾肥。

在能源关键元素中，锂异常容易开采，至少从阿塔卡马盐沼这样的盐水源开采即可。不过，许多其他关键元素的情况可能也没有报道的那么糟糕。“在我看来，大多数问题都有点夸大其词，”麻省理工学院的 Gerbrand Ceder 说。“系统中存在巨大的缓冲。”

首先，如果某种元素的价格上涨，人们就会有动力花更多的钱从原矿中提炼这种元素。“很多采矿废料中仍然含有大量金属，”Ceder 解释道。在许多情况下，这些废料可以产生比我们目前获得的更多的金属。对于能源关键元素而言，其生产通常依赖于更广泛使用的矿物的开采，废料堆可能是一个宝贵的储备来源。

另一个经常被忽视的缓冲因素是简单的需求层次：如果某种元素的供应有限，那么最需要它的行业就会从那些不太需要它的行业手中夺走它。例如，铂金是汽车公司必须在其汽车上安装的排气过滤器中不可或缺的催化剂。如果铂金需求上升，这并不意味着汽车公司将使用更少的催化转化器。这意味着情侣们将交换更少的铂金结婚戒指。

碲是另一个例子。除了碲化镉薄膜太阳能电池板外，碲还用于制造热电设备（将废热转化为电能）和钢合金。如果对碲的需求上升，很快就会清楚谁最需要它。“你会发现，太阳能行业处于碲的顶端，”Ceder 说。“他们从中获得的价值如此之高，以至于钢铁行业将陷入困境，然后是热电行业。”

但并非所有专家都如此确信。咨询公司 Technology Metals Research 的联合创始人杰克·利夫顿 (Jack Lifton) 认为，生产碲的经济效益并不理想，未来几年碲产量实际上可能会下降。铜生产商几乎供应了全世界所有的碲，碲是精炼过程中的副产品。随着这些公司转向新的、更经济的精炼方法，它们可能不再生产碲。供应可能会迅速减少。

另一个挑战是，一些能源关键元素确实非常稀有。碲和铼都是铂族元素，被掺入超级合金中，使喷气发动机能够在更高、更高效的温度下运行。铼实际上比黄金稀有五倍。这就是为什么五年前通用电气启动了一项密集的铼回收计划，同时寻找替代超级合金，并在几年内找到了替代材料。今年 2 月，日本政府和 100 多家日本公司启动了一项类似的 13 亿美元计划，旨在将该国对中国稀土的依赖减少三分之一。

减少对关键元素依赖的一个明显方法是寻找替代品。例如，丰田和日产正在为其混合动力和电动汽车开发不含稀土的发动机。但替代可能是一个漫长而昂贵的过程。“事实上，直接替代很少奏效，”Ceder 说。“通常你需要重新设计产品。”

Ceder 正在尝试让材料设计过程变得更短、更简单。他使用大量计算机来计算决定化合物特性的量子力学相互作用。他的目标是找到新的元素组合，以生产出比现有材料更有用的材料。“10 年后，我们将完全通过计算来设计材料，”他说。“现在是时候了。我可以在周五安排 1,000 次计算，周一就能完成。当我们今天去实验室制造某种东西时，命中率是 50%。”

回收或许是减少对能源关键元素依赖的最明显方法。正如耶鲁大学工业生态学教授托马斯·格雷德尔所说，我们需要开始将我们的城市视为“人为矿山”——矿藏以旧车、电脑、电池等形式存在。

目前，美国对能源关键元素的回收利用率极低。2010 年，碲几乎回收利用为零，锂回收利用率极低，铂族元素回收利用率仅为 17 公吨。同年，美国仅进口的铂族元素就达 195 公吨。APS/MRS 报告建议联邦政府为关键元素含量高的产品设立“关键材料”标识，并使用现金押金鼓励消费者回收这些产品。

如果铂金需求上升，这并不意味着汽车公司将使用更少的催化转换器。这意味着情侣们将交换更少的铂金结婚戒指。即使我们更好地管理能源关键元素的供应，在某个时候我们也需要新的矿山。过去几年，矿业公司宣布了在澳大利亚、巴西、加拿大、印度、哈萨克斯坦和越南开采稀土矿的计划。新的和现有的锂生产商正在开发从澳大利亚和其他地方的硬岩矿石中提取这种矿物的技术。与此同时，投资者和政客们正在敦促一件长期以来被视为禁忌的事情：在美国开采能源关键元素矿

美国拥有至少 1300 万吨稀土矿、400 万吨锂矿和大量其他能源关键元素矿。然而，这些矿藏中很少有被开采的，主要是因为严格的许可程序和环境法规。这些限制通常会导致矿山的勘探和实际开采之间延迟七年或更长时间。

即便如此，确保北美关键元素来源的需要必须与对采矿所造成的破坏的认识相平衡。对于稀土矿物来说，实现这种平衡可能尤其困难，因为稀土矿物的开采几乎总是会挖掘出低放射性物质铀和钍。2002 年，低放射性水的泄漏导致加利福尼亚州东南部的芒廷帕斯矿关闭，该矿曾是世界上最大的稀土元素来源。尽管如此，拥有芒廷帕斯矿的科罗拉多州公司 Molycorp 正在重新设计和重建该矿的现场炼油厂。该公司计划今年重新开放芒廷帕斯矿，并迅速开始每年生产 2 万吨稀土氧化物。

锂的开采不会产生有毒废物和放射性矿渣，但矿山对环境的影响一直存在争议。拉斯维加斯会议的第二天，我和一群投资者和矿业高管飞往内华达州北部，参观拟建的西部锂矿，这是美国最大、最先进的能源关键元素项目之一。在租来的牧场房子后面的一个棚子里，那里是公司的实地总部，胶合板桌子上摆满了从矿场采集的岩心样本，我和西部锂矿的首席执行官杰伊·切梅劳斯卡斯进行了交谈，他谈论清洁能源革命就像一个刚刚找到上帝的人。他的最后一个项目无疑是一项不那么光彩的任务，即监督中国最大的露天金矿之一的建设。“现在我每天醒来，都在拯救世界，”他说。

我们穿上橡胶靴和防风雨夹克，坐上四轮驱动车，向西约 12 英里外的一座低矮山脉驶去。这是叉角羚羊的故乡，也是沙漠大角羊的领地。大约 20 分钟后，我们从铺好的公路拐进一条土路，开到一座长满山艾树的山顶，停在挖掘机挖出的深约 15 英尺的沟壑处。我们走进沟壑。我的靴子在潮湿的、深红色的粘土上弹跳；就像走在一块巨大的橡皮泥上。西部锂业公司的最新数据显示，这块粘土海绵中至少含有 150 万公吨碳酸锂，足够满足目前全球 12 年以上的需求。

两到五年后，我们脚下的土地将变成露天矿。如果这还不够，北边还有四个粘土矿床可以开采。早些时候，我问过 Chmelauskas，像这样的矿山对环境的影响是什么。从粘土中开采锂可能比许多其他采掘业的破坏性要小，但它永远不会没有影响。对于能源关键元素，就像黄金、白银、煤炭、石油或我们从地下开采的任何其他东西一样，总是有权衡的。“我的意思是，我们要在那座山的一侧挖一个大洞，”Chmelauskas 说。“但你必须权衡净成本。”

本文改编自Seth Fletcher 所著的《瓶装闪电：超级电池、电动汽车和新锂经济》，现已由 Hill and Wang 出版。您还可以在 PopSci 上查看 Seth 关于锂技术的其他帖子，或者在 Facebook 上关注 Bottled Lightning，或在 Twitter 上关注 Seth。选择太多了！