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August

2011

科技新时代:电动汽车只是空中楼阁

发布时间:2011-8-11 11:18:281319次

据科技新时代杂志报道:

  导读:世界也许根本没有足够的锂生产电动汽车所需要的锂离子电池。

  

  如果能实现从汽油启动向锂离子电池驱动,中国也许将成为新的中东。

  

  2006年12月,能源分析师威廉·塔希尔在网上发表了一篇标题为《锂的困境》的文章。

  在这篇文章中,他对那些将未来寄托在快速发展的锂离子驱动电动汽车上,并幻想着一个更清洁、经济和繁荣时代的人们提出了警告。

  他认为,世界上根本没有足够的可持续锂资源来支持这种经济转换。

  更重要的是,目前已经探明的可被开采的锂只集中在少数几个国家。

  “如果世界从石油驱动向锂离子电池驱动转换,”他在文章中写道,“南美将成为新的中东,玻利维亚将比今天的沙特阿拉伯更吸引世界的目光。美国将不得不严重依赖其他国家才能满足对锂的需求,而中国由于有相当的锂矿藏,能源将实现自给自足。”

  塔希尔的文章并不能称为可靠的资料来源。

  在2006年早期,他曾经发表过另外一篇文章:《从零开始:世贸中心的核损坏》。

  在这篇文章中,他提出埋在美国世贸中心地下约79米深处的两座核反应堆,在2011年发生的“9·11”事件之后正在缓慢地熔解—这显然是在危言耸听。

  尽管如此,他提出的“锂产量峰值”的观点却不失为一个值得关注的话题。

  特斯拉汽车公司和通用汽车近期都发布了各自的电动汽车,这两种汽车都依赖锂电池提供动力。

  2008年7月,英国《卫报》发表的一篇文章中称,“随着对石油供应的忧虑日益加深,世界的注意力更多地转移到了锂供电电动汽车上。但是对于究竟有多少锂资源可用仍然存在很大争议。”

  去年1月,我参加了在拉斯维加斯举办的第二届锂供应与市场会议。

  在小组讨论阶段,我拦住了地质学家R·基思·埃文斯,他研究全球的锂储量已经有40多年了。

  在看了塔希尔的文章之后,已经退休的他决定重出江湖。

  “他完全是胡说八道。”站在从会议中心前往宴会中心的自动扶梯上,他向我讲述了塔希尔的文章是如何刺激他写了一篇最新的关于世界锂供应的文章—《充足的锂》。

  “这并不是第一次锂恐慌了。”埃文斯说。

  他告诉我,1975年美国地质调查局就曾召开过一次紧急会议,讨论解决供核聚变反应堆使用的锂供应不足的问题。

  这场恐慌是由西方世界首次对锂供应不足的严重担心所引发,当时估计全世界的锂储量约为1065万吨。

  但是在这之后,新的锂矿不断被地质学家所发现。

  到了2010年,埃文斯预计全世界已探明的金属锂储量约为2840万吨,或者说是1.5亿吨碳酸锂矿石—锂存在并被销售的最普遍的一种形式。

  与之相对应的是,2010年全球的锂需求总量约为10万吨。

  “即使电动汽车的兴起使世界对锂的需求在10年内翻一番,”埃文斯说,“世界的锂供应也是非常充足的。” 在我遇到埃文斯的时候,另一种潜在的资源短缺正跃然于新闻标题上。

  作为全世界95%的稀土元素—混合动力汽车、风力发电机和其他清洁能源技术都严重依赖的一组元素—的产地,中国发出了减少出口数量的信号,称为了保护稀土矿产而要减少产量。

  在这之后,在全球范围内对于这些稀有元素供应的担心日益加重。

  稀土元素的固有特性使其成为薄膜太阳能电池、高效风力发电机、先进发动机、高容量电池和其他清洁能源创新技术必不可少的重要成分。

  一旦供应被切断,无疑将对这些领域产生深远的影响。

  

  并非所有这些元素都很稀少,但是没有一种会像20世纪的主要工业原材料—铁、铝、硅和其他9种元素—那样充足,地壳中99%的成分都由它们构成。

  历史上,只有科学家会在实验室规模的项目上大量使用这些稀有元素,因此地质学家们一直缺乏动力去寻找这些元素的矿藏,结果就是我们对于这些能源关键元素的分布、储量和成本效益等知识严重缺乏,而这种知识的缺乏又进一步引发了焦虑。

  例如,2010年8月,《Reason》杂志发表的一篇文章标题为“忘记石油的产量峰值,想想锂、铷和磷的产量峰值吧”。

  对于锂来说,在我们对它的储量有了更多了解之后,恐慌开始平息。

  但是对于其他28种元素,是否情况也会这样?锂的供应情况对于其他元素能提供哪些借鉴之处呢?

  要理解为什么一组并不出名的元素会吸引如此多的注意力,首先需要了解一下汽油驱动的汽车和电动汽车之间的竞争优劣势。

  本质上,内燃机是一种效率非常低的机器,汽油的能量只有12.6%被用于驱动汽车的工作,但是汽油的高能量密度在很大程度上弥补了内燃机的这种不足。

  每升汽油蕴含着约8.72千瓦时的能量,即使只有12.6%的能量被利用,也足以驱动一辆几吨重的汽车在高速公路上飞奔。

  尤其是在石油价格很便宜、似乎拥有无限储量的时代—对于20世纪的大多数时间都是如此—内燃机的这种低效率是完全可以被接受的。

  

  然而,今天石油的价格不再便宜,显然也不可能是储量无限的,我们开始进入英国汉普郡学院的教授迈克·克雷尔所说的“困难石油时代”。

  在这个时代,那些容易开采的石油都已经被开采殆尽,我们不得不在几千米深的海洋下面钻探石油。

  与此同时,随着发展中国家中产阶级的兴起,预计到2050年世界上的汽车数量将会翻一番,达到20亿辆的规模。

  要取代如此众多数量由汽油驱动的汽车,电动汽车需要非常好的电池,而今天这些电池都是以锂为基础的。

  锂在元素周期表中排第三位,是制造轻质能量储存装置的理想选择。

  由于它具有极强的反应能力,因此比其他元素更适合作为高能量密度电池的基础。

  可充电锂离子电池已经成功将砖头一样的大哥大,演变成了今天只有137克重的iPhone 4。

  今天,汽车制造商们相信,锂电池能给交通运输业带来同样的变化。

  

  但是,锂和以锂为基础的电池仅仅是一个更大系统的一部分。

  要榨取出电池内存储的以毫瓦时为单位的微弱电流需要高效的电动机,而制造这些电动机内的磁体需要像铷和镭这样的稀土元素。

  风力发电机和太阳能电池这些利用可再生资源的发电形式同样需要超高效的设备。

  高效风力发电机需要使用以稀土元素为基础的磁体,而先进的薄膜太阳能电池则需要使用碲或者铟。

  

  尽管获取这些稀土元素有很多麻烦,并耗费很多金钱,但是由于它们能高效率地带来宝贵的能源,人们依然认为这些付出都是值得的。

  “如果你是在自己家里,考虑的是你的家用电器的用电,那么你也许会想:‘电这么便宜,而且随处可得,有什么必要在意发电效率的轻微降低呢?’”麻省理工学院的材料科学教授格布兰德·赛达尔说,他也是前面提到的美国物理协会和材料研究协会的科学家委员会的一员。

  “但实际上我们考虑的并不是家庭应用,而是一些能源至关重要并且非常昂贵的应用环境。”到目前为止,这些对新能源至关重要的元素还没有涉及家庭应用。

  但是,假如完全不考虑家庭应用的话,像风力发电机和电动汽车根本就没有制造的必要。

  

  实际上,这些能提高能源效率的元素的成本和供应状况也是个问题。

  为了能大规模应用,清洁能源时代的机器必须在成本上与今天以化石燃料为基础的耗能体系具有竞争性。

  除非能大规模制造,否则清洁能源技术在成本上不可能具有竞争性,但是假如原材料的供应不稳定、价格过于昂贵的话,那么大规模制造只能是空想。

  

  如果有无限的资金,如美国物理协会和材料研究协会的科学家委员会所说的那样,“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的。”理论上,科学家能从一桶泥土里面提取出微小数量的多种元素—只要有足够的资金让他们这么做。

  所以,无论是铷、碲、锂还是其他26种对清洁能源至关重要的元素,问题只有两个:它们的储量究竟有多少?更重要的是,将它们从地下开采出来的成本如何?

  世界上最大的锂制造商智利化工矿业公司(SQM)在智利的阿塔卡玛沙漠上进行生产。

  这片沙漠是世界上最干燥的地方,美国航空航天局曾经在这里对前往火星执行微生物探测项目的机器人进行测试。

  去年5月,我前往智利北部的这片沙漠,去观访这家公司的生产过程。

  在圣佩德罗—位于SQM的工厂北部约80千米处的一片绿洲—我遇到了SQM的市场经理安德列斯·亚克斯基。

  在一个明媚但寒冷的清晨,天空蔚蓝如洗,我们动身向南前往工厂所在地。

  阿塔卡玛盐湖是世界上锂储量最丰富的地方之一,SQM称,这里蕴含着4000万吨易于开采的碳酸锂矿石。

  

  在高速公路上行驶了大约一个小时之后,我们从出口驶出,转向了一条通往盐湖的碎石路。

  一望无际的戈壁上星星点点地点缀着盐坝和一片一片白色的建筑。

  我们在一栋小房子的前面停了下来,每个人都穿上了靴子,套上了亮黄色的安全背心,戴上了安全帽。