對鋰供應短缺問題的擔憂可能被夸大了

編譯 李軍平

世界各地均有未開發的鋰礦，但對新礦的投資卻相對滯后。

在全球致力于實現交通領域脫碳的背景下，拜登政府也在大力推動普及電動汽車，導致業界對鋰金屬——這一電動汽車電池原材料的需求激增，而現有和計劃中的供應量已難以滿足該需求。然而，世界各地的新礦床與新輕金屬提取技術可能會填補這一需求空白；與此同時，鈷與鎳的供應情況可能會成為擴大電動汽車電池生產的關鍵制約因素。

根據英國市場分析公司基準礦業情報機構的數據，2021年鋰供應將出現2.6萬噸的缺口，到2030年將擴大至110萬噸。屆時，全球需求預計將飆升至現有水平的5倍以上，達到240萬噸碳酸鋰當量（LCE，行業標準生產單位）。2020年，世界銀行對輕金屬的前景不太樂觀，但同時表示，如果把全球平均氣溫較工業化前的水平提升控制在2℃之內，全球2050年的鋰需求將增加5倍。

基準礦業情報機構產品總監安德魯·米勒（Andrew Miller）指出，該公司在發布供應缺口預測時，已考慮目前已知的礦區與采礦開發項目。他強調：“鋰資源并不稀缺，因此，問題是如何快速開發并獲取資源以滿足這些需求。”

科羅拉多礦業學院經濟學教授羅德里克·埃格特（Roderick Eggert）贊同此觀點：“以澳大利亞為代表的一些國家擁有大量未利用的采礦產能，應可以滿足未來數年的需求增長，也不會導致價格大幅上漲。”

通用汽車公司開發的鋰金屬電池原型。2021年3月，通用汽車公司宣布與新加坡鋰電池初創公司SES達成聯合開發協議

美國總統拜登于2021年3月31日宣布推出2萬億美元的就業與基礎設施一攬子計劃，其中有1 740億美元用于刺激美國電動汽車市場。這一巨額資金清楚表明了對輕金屬需求的急劇增長。米勒總監與其他人士指出，未來十年鋰消費量的增長幾乎主要依靠電動汽車電池。未來十年的后半期，電動公用設施規模的蓄電池的需求將有所增長。長期來看，其他類型的電池化學技術（如目前處于研發階段的液流電池）可能將與鋰電池在大規模儲能系統領域展開競爭，大規模儲能系統的重量和尺寸問題并不重要。

盡管具體細節尚未公布，但拜登的電動汽車計劃的主要目的是保護美國汽車制造商的供應鏈（從原材料開始），刺激美國生產更多的電動汽車電池。不過，埃格特教授表示，最好是讓美國從全球各地獲取鋰資源，因為自給自足的成本要高得多。他指出：“問題并非是資源是否足夠，而是能否從多個渠道獲取資源，及時將其投入生產，以滿足不斷增長的需求。”

西澳大利亞州擁有五個含有鋰輝石的巖漿巖礦區，供應全球約60%的鋰。其余大部分的鋰供應來自阿根廷、玻利維亞與智利富含輕金屬元素的鹽灘。鹽水從地下被抽至人工池塘，并通過蒸發和濃縮工藝得到鋰鹽。埃格特教授表示：“澳大利亞與南美洲擁有大量未開發的資源，他們將相互競爭。”

美國唯一的礦區位于內華達州的銀峰，該礦區也采用鹽水作業的方式提煉鋰金屬。該礦區的所有者阿爾伯馬爾公司近期宣布，會將產量提高一倍，但未披露具體產量。

與許多其他重要礦物資源一樣，中國在全球鋰供應鏈條中占據相當大的份額。除了國內開采的鋰之外，中國幾乎將所有澳大利亞的鋰原料加工成碳酸鋰與氫氧化鋰——這兩種化合物是制造鋰離子電池（陰極）的關鍵材料。2020年，日本松下、韓國LG化學與中國寧德時代（CATL）這三家公司合計生產了全球約3/4的電動汽車電池。

渠道來源多元化

盡管南美與澳大利亞的鋰產量持續增加，但預計未來十年鋰資源的供應渠道將愈發多樣化。根據美國地質勘探局的數據，截至2020年，阿根廷、玻利維亞、智利、中國和美國處在開發鹵水鋰資源的不同階段；非洲、澳大利亞、南美、加拿大與歐洲正在開發礦物鋰資源。

此外，新的采礦技術與礦床類型有望作為傳統資源的補充。據《礦業》（Mine）雜志報道，相關企業正在美國西南部地區評估沉積黏土礦床，包括世界第二大遠景礦——內華達州薩克爾山口礦。薩克爾山口礦的所有者美洲鋰業公司預計，該礦儲量非常豐富，在每年生產6萬噸碳酸鋰當量的情況下，足以維持46年。澳大利亞霍克斯通礦業公司是亞利桑那州大沙沉積黏土遠景礦的所有者，該公司表示，大沙礦在每年生產5萬噸LCE的情況下，足以維持40年。霍克斯通美國公司總經理道格·皮茨（Doug Pitts）指出，該礦將于2025年投入運營。

《礦業》雜志稱，世界最大的鋰開發項目——墨西哥索諾拉州的沉積黏土礦床，估計含有450萬噸LCE。在世界其他十大礦業項目中，5個位于西澳大利亞，2個位于加拿大的魁北克省和津巴布韋。

另一個潛在的鋰資源來自地熱能——在生產地熱的過程中，可從地下開采的熱鹵水中提取鋰資源。在美國，探索地熱鋰資源的活動主要在加州進行。多家公司正在索爾頓海沿岸經營地熱發電廠；同時，在過去的兩年里，加州能源委員會已經撥款1 600萬美元，探索在這些地熱發電廠中順便進行鋰提取作業的可行性。伯克希爾哈撒韋能源公司的可再生能源子公司是獲得撥款的機構之一，目前在稱為“鋰谷”的地區經營10家地熱發電廠。該公司表示，如果項目獲得成功，則每年可以生產9萬噸LCE——約是當前全球需求的1/4。

埃格特教授指出，通過地熱作業提取的鋰資源非常多，但與傳統的采礦相比，這些鋰在很大程度上被稀釋了，且該工藝尚未通過大規模商業開發證明其可行性；此外，地熱與鹵水提取作業將引發環境問題，特別是在索爾頓海現有污染比較嚴重的情況下。但基準礦業情報機構產品總監米勒表示，由于基礎設施已經基本建成，地熱鹵水可能很快成為重要的鋰供應來源。此外，地熱鋰資源對于希望在當地獲取原材料的美國消費者而言，其吸引力并不亞于黏土礦床。

加拿大溫哥華標準鋰業公司正在開發一項技術，據稱可從油田鹵水中提取最高可達90%的鋰，同時無須傳統蒸發工藝的蒸發池。該公司計劃以德國朗盛公司在阿肯色州南部生產溴的副產品為原料，每年生產2.1萬噸LCE。

英國市場分析公司基準礦業情報機構表示，從今年開始，鋰需求量將開始超過供應量，如果鋰資源未得到進一步開發，這種不均衡性將迅速加劇（數字計算可能存在舍入誤差）

阿根廷薩利納斯格蘭德鹽灘的鋰鹽水作業。世界鋰供應量的30%來自南美鹵水

在加州南部，礦業巨頭力拓集團的美國硼砂部門正在評估如何從硼酸鹽開采產生的廢料中回收鋰。該公司報告稱，其在塞爾維亞的硼酸鋰礦床是一個尚未開發的大型礦產資源，每年可生產5萬噸LCE。皮埃蒙特鋰業公司與阿爾伯馬爾公司曾在北卡羅來納州開采過鋰輝石，這兩家公司正在考慮重啟該地的業務。

埃格特教授表示，由于不確定鋰需求的繁榮期會持續多久，投資者對是否投資新礦比較猶豫。他指出，一方面，新的電池技術可能在15年后開始取代鋰；另一方面，當技術的未來發展不夠確定，投資者不愿為壽命長達幾十年的生產設施投資。

高價值金屬元素

鋰電池的其他組件也面臨供應短缺問題。但是，輕金屬僅占常規鋰電池所用礦物質重量的4%。陽極使用的石墨占總質量的一半以上，其中19%是鎳。供應短缺問題最大的金屬是鈷（含量6%），其既稀有、又昂貴，而且大多數供應來自剛果民主共和國，同時，該國的童工現象與其他侵犯人權的行為非常普遍。

美國阿貢國家實驗室儲能研究聯合中心主任喬治·克拉布特里（George Crabtree）指出，電動汽車電池制造商一直努力采用不同組合的其他過渡金屬（主要是鎳與錳），以盡可能減少或替代鈷。但是，鈷仍然是穩定陰極、延長電池壽命和提高電動汽車性能的理想材料。第一批電動汽車（包括特斯拉最初的Roadster）的電池（陰極）便是由鋰鈷氧化物制成，這也是電動汽車成本如此高的原因之一。

今天，電動汽車電池（陰極）大多由鋰鎳錳鈷氧化物制成，含鈷量很少。埃隆·馬斯克最近發布報告稱，在中國銷售的特斯拉Model 3配備了無鈷磷酸鐵鋰電池（陰極）。由于能量密度較低，這種化學物質主要局限于電動工具。

鋰離子電池集高能量密度與輕重量特色為一體，預計將至少在未來十年內占據主導地位。克拉布特里表示：“鋰電池顯然是我們目前最好的電池。”但是，電池技術日新月異且在不斷進化。最近的發展態勢表明，一些電動汽車需要的鋰電池數量可能相當于目前的兩倍。例如，通用汽車公司與新加坡SES公司正在開發一種固體鋰電池（陽極）以代替石墨。通用汽車公司表示，新電池的能量密度更大，因此續航里程更遠，充電時間更短。通用汽車公司與SES計劃在馬薩諸塞州沃伯恩建立一條新的生產線，預計到2023年可生產高容量的車載驅動電池。

加州圣何塞量子圖景公司正與大眾汽車合作開發鋰金屬電池。在其電池設計方案中，將不再采用有機液體電解質（這是目前所有鋰離子電池的共同特點）。固體電解質將徹底消除因電池熱失控引起火災的隱患（盡管十分罕見）。

克拉布特里指出，一些研究表明，硅石墨復合材料的儲能容量約為純鋰的1/2至3/4。

回收利用的效果并不理想

阿貢國家實驗室材料回收小組組長杰夫·斯潘根伯格（Jeff Spangenberger）表示，已經開展了數量有限的鋰離子電池回收利用工作，但經濟效益不足以吸引業界廣泛采用。關于鋰電池的回收利用，可通過火法冶金或濕法冶金工藝實現。

他強調，若使回收利用具備可行性，將主要取決于鈷而非鋰。電動汽車電池中的鈷含量越少，回收就越不具備經濟性。鈷含量越高，消費電子產品的單位重量價值就越大；但是，在大規模收集手機與筆記本電腦的過程中，可能會面臨諸多挑戰。

加州大學伯克利分校化學工程師尼塔什·巴爾薩拉（Nitash Balsara）指出，有必要制定促進回收利用的法規。他以鉛酸電池為例：由于制定了相關法規，幾乎所有的鉛酸電池均被回收利用。他強調：“只有出臺強制措施，才能迫使我們身體力行。該問題已足夠迫切，必須制定相關的政策。”

美國能源部正在支持一個名為“回收利用電池中心”（ReCell Center）的項目。該項目正在開發直接回收利用技術，用于回收、再造和再利用鋰電池組件，而非像之前那樣，將其熔化或改變其化學結構。

資料來源PhysicsToday