电动汽车崛起 电池发展却还落后2万英里

电动汽车崛起 电池发展却还落后2万英里

对于电动汽车的崛起过程,鲜有人能够比“特斯拉背后的智囊团”--施特劳贝尔(JB Straubel)--理解得更透彻。2003年,工程师施特劳贝尔在午餐时的一番话,让埃隆·马斯克(Elon Musk)相信电动汽车事业大有可为。

编译/永妍

随后,他在特斯拉担任了15年的首席技术官,设计了特斯拉的第一批电池,管理充电站网络的搭建,并主导了美国内华达州超级工厂的建设。2019年,施特劳贝尔从特斯拉离职,马斯克的传记作者阿什利·万斯(Ashlee Vance)表示,特斯拉不仅失去了一位创始人,也失去了“一部分灵魂”。

凭借业内名气和过硬实力,施特劳贝尔几乎可以随便挑硅谷的工作,然而他并没有。施特劳贝尔留在了他位于内华达州卡森的牧场内,目所能及之处,看不到一棵树。据称,著名作家马克·吐温(Mark Twain)在这里住过。马克·吐温曾描述这里为“一片沙漠,被荒芜的雪山所包围。”

2017年,施特劳贝尔就是在这里创建了Redwood Materials公司,从事着如炼金术一般神秘又复杂的业务:分解废弃电池,将其重组成新的电动汽车所需的金属材料,再重新投入到供应链中。

“城市采矿”,变废为宝

施特劳贝尔的目标是解决电动汽车行业目前最突出的问题。虽然电动汽车在行驶时可以实现“零排放”,但随着电动汽车逐渐兴起,电池原料开采、制造和处理过程却暗藏着环境危机。

电动汽车崛起 电池发展却还落后2万英里

施特劳贝尔表示:“现在的电动汽车,根本谈不上‘可持续’,连相关的近期规划都看不到。还在特斯拉的时候,我就有些受不了;前公司做大做强之后,我就实在忍无可忍了。”

Redwood的仓库是“汝之蜜糖,彼之砒霜”的最好注解。每个工作日,都有两三辆重型卡车运来约60吨的废旧智能手机、电动工具和滑板车电池。施特劳贝尔手下相关团队的130名员工就会从这些废品中分离出来各种金属,例如镍、钴和锂,再将它们粉碎,并用化学物品处理成新的锂电池原料,重新投入供应链。

电池中所使用的金属一般都来自刚果民主共和国、澳大利亚和智利等国家,从露天矿中挖出或从沙漠池塘中蒸发出来。但施特劳贝尔认为,就在人们身边,有一个“巨大的、未开发的”来源:普通美国人的车库。他还估计,美国家庭中的旧手机、旧笔记本电脑中总共有大约10亿个废旧电池,从中都能回收到有利用价值的金属材料。

对这些电池进行分解,再重新利用的过程被称为“城市采矿”。电池材料创业公司Sila Nano的首席执行官基恩·博迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)表示,大规模“城市采矿”是一项艰巨的任务:一辆高端电动汽车中的电池材料数量大约是一部智能手机的1万倍。但是,他补充说,按每千瓦时计算,一辆汽车电池中的钴用量大约仅为一部手机电池中钴用量的30分之一。博迪切夫斯基补充道,“因此,每回收300部智能手机,其中的钴就能用于生产1辆电动汽车的电池。”

Redwood还在建立自己的工业合作伙伴网络,亚马逊、电动巴士制造商Proterra和电动自行车制造商Specialized都包括在内,以回收他们的废品。Redwood已经开始从松下公司接收电子废物,并将可重新利用的材料送回松下公司,松下公司在Redwood以北50英里处的特斯拉超级工厂内生产电池芯。

“零排放”还只是个概念

施特劳贝尔赌上自己特斯拉赚得的部分财富,认为Redwood可以在“循环经济”的兴起发挥重要作用。所谓循环经济是一个诞生于20世纪60年代的想法,其核心是改变商品的设计、制造和回收方式。全球范围内的一些大型企业正接受这一概念,其中就包括了苹果公司,其CEOTim Cook(Tim Cook)所设定的目标是“不必从地球上开采任何东西来生产新的iPhone”,这是该公司在2030年前实现碳平衡的承诺的一部分。

等循环经济流行起来时,我们现在的做法,在子孙后代的眼里一定非常愚蠢。目前钴主要是来自非洲刚果民主共和国,通常在大型工业矿井中开采,也有的使用基本工具手工挖掘。开采出的钴可能被运往欧洲最大的钴精炼厂所在地芬兰,再运到世界上大部分阴极和电池的生产地中国,再被运往美国和欧洲。电池芯在欧美国家被组装成电池组,再被运到电动汽车生产线上。

在一辆电动汽车被贴上“零排放”标签之前,钴从矿场开采出来,到最后送到汽车制造商手里,需要经历长达2万英里(约3.2万公里)的超长途旅行,而这一旅程可不是“零排放”。

尽管如此,仍有独立研究者表示,电动汽车对环境的破坏还是比传统内燃机汽车要小。但是目前这个行业依然有很大的提升空间。施特劳贝尔认为,如果电动汽车的电池可以不断地被回收再利用,那么电动汽车制造过程中的碳排放量可以减少一半以上。

7月,Redwood发展提速,从投资人那里筹集了7亿多美元,能够再招500多名新员工,并扩大业务范围。按照当前37亿美元的估值计算,这家公司现已成北美价值最高的电池回收企业。今年,Redwood预计将处理2万吨废料,目前已回收的材料就足以生产4.5万个电动汽车电池组。

循环经济支持者们表示,这种经济可以让地球变得更加可持续,减少堆积如山的废品。2019年,世界经济论坛估计,到2030年,“循环电池价值链”可以占到实现巴黎协议规定的目标所需减排量的30%,并在全世界范围内创造1000万个安全和可持续方面的就业岗位。

Lombard Odier投资经理公司的可持续解决方案主管克里斯蒂娜·克奇(Kristina Church)说,运输是创建循环经济的“核心”,它不仅占了全球二氧化碳排放量的六分之一,而且还与采矿和能源网交织在一起。

采矿企业Glencore的铜与电子元件循环负责人库努尔·辛哈(Kunal Sinha)说到:“要想让全世界在2050年实现净零排放,仅靠资源效率、电动汽车和清洁能源是远远不够的。这个差距可以通过推动循环经济,改变消费方式,重复使用东西,以及回收再利用来弥补。”他还补充说:“回收的作用不容小觑。回收相当于提供了‘额外’的供应,一方面填补了需求缺口,另一方面还有助于缓解排放压力。”

供应紧缩不容小觑

“城市采矿”虽然现在还比较小众,但电动汽车已赢得广泛政治支持,应对气候变化上也已出台了相关政策,城市采矿将在2030年之前成为主流。美国能源部部长珍妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)就呼吁政府作出承诺,在美国本土建立一个锂基电池供应链。

这也是拜登政府的目标之一,美国现任政府计划在2035年实现100%的清洁电力,并到2050年实现净零排放。格兰霍姆表示,到2030年末,全球清洁能源技术市场的价值将达2300万美元。格兰霍姆还提到,随着中国等国家加大相关投资力度,美国也不愿落后。

欧洲监管机构也在强调环境和社会问题之间的矛盾。例如,如果汽车制造商停止生产燃油车,德国就会面临严重的失业威胁。

根据麦肯锡的数据,中国政府正在对该行业进行补贴,以在2030年之前每年将电动汽车的销量提高24%。

然而,对电动汽车的大力支持,有可能会带来意想不到的后果。

今年出现的全球半导体短缺问题暴露了准时制模式(Just-in-time,JIT模式)汽车供应链的脆弱性。芯片短缺仅仅是一个预兆,它可能意味着更大的破坏即将来临,由于所有汽车制造商都希望对各自的产品进行电动化,未来镍、钴和锂等电动汽车电池关键材料的供应也很有可能会遭遇供应瓶颈。

彭博新能源财经(BloombergNEF)发布的数据显示,今年电动汽车的销量仅占全球汽车总销量的4%。但是预计到2030年时,这一比例将大幅提升至34%,2040年将进一步提升至70%。

英国伯明翰大学教授保罗·安德森(Paul Anderson)表示:“未来将出现对原材料的大规模争夺。大家现在都急着把技术推向市场,对回收利用却没有足够的考虑。”

G2 Venture Partners的清洁能源投资人莫妮卡·瓦尔曼(Monica Varman)估计,电池金属的需求将在两到三年内超过供应。随着市场对使用可持续材料重新设计电池这一做法做出反应,将出现一场持续5年左右的“供应紧缩”。再生材料有助于缓解供应问题,但分析师们认为,在未来10年中,它最多也只能满足20%的需求。

像Redwood这种以回收并再利用废弃材料为主要业务的创业公司目前还是少数。其中一家就是位于加拿大多伦多的Li-Cycle公司。Li-Cycle成立于2016年,今年早些时候在与一家特殊目的收购公司的合并中筹集了超过6亿美元的资金,当前估值为17亿美元。Li-Cycle已经与14家汽车和电池公司建立了合作关系,其中包括通用汽车和LG化学的合资公司Ultium。

Li-Cycle董事长蒂姆·约翰斯顿(Tim Johnston)表示,公司计划在北美各地建设设施,收集旧电池并将其转化为粉末形态的锂、镍、钴和石墨。Li-Cycle还将建立更大型的生产中心,将95%以上的物质再加工成电池级的材料。

约翰斯顿担心,如果没有大规模的城市采矿,即将到来的电池原材料短缺将带来与1973年阿拉伯石油禁运一样的后果。当时美国的汽油价格在四个月内翻了两番,美国政府对那次事件的描述为“对整个国家经济稳定造成了结构性挑战”。

约翰斯顿表示:“石油供应可以相对快速地恢复,毕竟开发一个油井和开始抽油并不需要太长时间。但开采锂、钴或镍矿,5年起步。因此,电池原材料短缺不仅可能造成与石油禁运一样严峻的影响,甚至是更为深远的长期影响。”

规模化回收?得从产品设计说起

除了能够缓解供应链压力并保护环境外,“城市采矿”还能带来更低价的原材料。2018年一项关于中国废弃电视机中的金和铜的回收研究表明,回收过程的经济性是原始开采的13倍。

施特劳贝尔指出,现有电池中可提取的高价值材料要比开采出来的材料多得多。他说道:“在岩石、矿石和盐水中,这些关键材料的浓度都非常低,但回收电池中的材料浓度很高。我们在对的地方提取对的材料,所以材料浓度要比传统的采矿业高出一大截。”

Li-Cycle的约翰斯顿则表示,当前在矿区发现的最高等级的锂矿石只含有2%到2.5%的氧化锂,而在“城市采矿”中,其浓度是这个数字的4到5倍。

然而,由于许多产品在设计的时候并没有考虑到材料回收,因此从废弃产品中提取有价值材料的过程非常复杂。计算机制造商戴尔的体验设计负责人艾德·博伊德(Ed Boyd)表示:“现在的产品在设计时考虑的都是组装时间、成本、质量等因素,有些产品的拆卸和分解要花20至30分钟,因此在回收时对其进行快速拆解不太实际。”

约翰斯顿团队目前正研究如何大幅降低所用材料的数量,并在1分钟之内完成产品拆解。他表示:“实际上,做到这一点并不难,只是以前没把拆解难度作为一个设计标准。”

循环经济真正规模化:任重而道远

虽然很少有人断然否定循环经济的作用,但是也有很多人对此怀疑这些过程是否能够迅速扩大规模,以满足未来10年中对清洁能源接近指数级的需求。矿业企业Anglo Pacific的

CEO朱利安·特雷格(Julian Treger)表示:“废材料回收这个想法听着貌似有吸引力,但最终它就像是冶炼和提炼。这是一个增值加工的环节,一般不会带来巨大的利润。”

南非的TechMet是一家投资于金属开采、加工和回收的企业,其创始人布莱恩·蒙耐尔(Brian Menell)称循环经济是一个“艰巨的任务”。他说道:“10年后,一个经过优化的锂离子电池回收行业也许能满足电动汽车行业25%的电池金属需求。所以它只能成为一个贡献因素,而不是解决方案。”

当行业开始回收更多的电动汽车电池时,循环经济真正规模化。电动汽车电池的平均寿命为15年,因此第一波电池在短时间内还不会达使用寿命而回收。这个较长的时间线足以让技术不断发展,但是与此同时,时间也会带来风险。G2 Ventures的瓦尔曼表示,如今大力发展回收技术,但如果化学物质快速发展,那么现在的化学物质所构成的电池到时候可能被时代淘汰了。

咨询公司Circular Energy Storage的创始人汉斯·埃里克·梅林(Hans Eric Melin)表示,如何持续获得废弃的汽车电池也可能是一个挑战,因为发达国家的旧汽车经常被出口到发展中国家重新使用。

梅林发现,截至2018年底,日产聆风电动汽车大约有40万辆,其中近五分之一已在乌克兰、俄罗斯、约旦、新西兰和斯里兰卡等国家注册。在这些国家,回收废旧车辆电池难度更大。

Sila Nano的博迪切夫斯基表示,目标是生产出使用寿命为30年的电动汽车电池。如果成功,未来的回收需求就会减少,整车成本也会下降,有利于降低电动汽车的普及门槛。他说道:“我有信心,将来我们会换车,但不会换电池。在延长电池使用寿命和回收利用方面而言,我们甚至还没有触及到电池时代的表面。”

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