2006 年 12 月，能源分析师 William Tahil 在线发表了一篇题为《锂的麻烦》的文章。他的论点可能会让许多将希望寄托于锂离子电池驱动的电动汽车快速发展以实现更清洁、更繁荣经济的人们感到震惊。
他提出的麻烦是，世界上没有足够的经济可回收锂来支持这种转变。此外，现有的可行锂矿藏仅集中在少数几个国家。“如果世界要用锂离子电池驱动来替代石油，”他写道，“南美洲将成为新的中东。玻利维亚将比沙特阿拉伯 ever 更加受到世界的关注。美国将再次依赖关键战略矿产的外部供应，而中国——拥有大量锂矿藏——“将一定程度上实现自给自足。”
本文改编自高级编辑 Seth Fletcher 的著作《瓶装闪电：超级电池、电动汽车和新的锂经济》，该书于 5 月 10 日由 Hill & Wang 出版。Tahil 并不是最可靠的消息来源。当年早些时候，他发表了另一篇论文《零地带：世界贸易中心的核拆除》。在其中，他认为，在 2001 年 9 月 11 日被劫持的飞机撞击双子塔的同一时刻，位于世贸中心下方约 260 英尺处的两座核反应堆被故意熔毁。即便如此，“锂峰”仍是一个无法抗拒的故事。特斯拉汽车和通用汽车都最近推出了 21 世纪的第一批电动汽车，它们都使用锂基电池。2008 年 7 月，《英国卫报》总结了这个问题：“随着石油供应持续令人担忧，焦点正转向电动汽车的锂。但关于有多少锂可用的争论正在激烈进行。”
2010 年 1 月，我参加了在拉斯维加斯举行的第二届年度锂供应与市场会议。在小组讨论之间，我拦住了地质学家 R. Keith Evans，他花了四十多年时间研究全球锂矿藏。Tahil 的文章促使 Evans 提前退休。“那是彻头彻尾的胡说八道，”他说。
在从会议厅到赌场的自动扶梯上，他解释了 Tahil 是如何启发他写下一份更新的全球锂供应估算报告《锂的富饶》。Evans 说，这不是第一次锂恐慌。他告诉我，1975 年美国地质调查局曾召开紧急会议，警告锂供应即将短缺——用于核聚变反应堆。那次恐慌促使首次对西方世界的锂供应进行了严肃估算，1975 年的估算为 1065 万吨。随后的几年里，地质学家们不断发现新的矿藏。到 2010 年，Evans 估计已知的世界锂金属供应量约为 2840 万吨，或 1.5 亿吨碳酸锂（这是锂生产和销售最常见的形式）。相比之下，当年的全球锂市场约为 10 万吨。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，Evans 表示，锂的供应仍然充足。
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点击此处 仔细了解可能推动清洁能源革命的六种元素。
在我见到 Evans 时，另一种潜在的资源短缺已经引起了媒体的关注。中国生产了世界 95% 的稀土金属——用于制造混合动力汽车、风力涡轮机和其他清洁能源技术的元素。中国已表示将削减出口，声称必须减少产量以保护其储备。去年 9 月，中国利用其稀土垄断作为武器，暂停向日本运送货物，以报复扣押一艘中国渔船。几乎立即，美国能源部官员就在国会山向国会作证，陈述美国稀土元素供应的状况。
自那时以来，人们对清洁能源技术中使用的元素供应的担忧只会日益加剧。今年 2 月，代表美国物理学会和材料研究学会的一个科学家委员会警告说，我们的矿产供应脆弱性超出了稀土。美国 90% 的“能源关键元素”——包括稀土在内的 29 种元素，它们固有的特性使其成为薄膜太阳能电池板、高效风力涡轮机、先进电动汽车电机、大容量电池和其他清洁能源创新中必不可少的成分——都依赖于其他国家。该委员会警告说，供应中断可能会“显著抑制”能够“否则就能改变我们生产、传输、储存或节约能源方式”的无化石燃料发明的有意义的部署。
当石油便宜且看似取之不尽时，汽油发动机的效率低下是可以接受的。但石油不再便宜，它也不是取之不尽的。
并非所有这些元素都很稀有，但没有一种元素像 20 世纪工业的主导原材料那样丰富：铁、铝、硅以及构成地壳 99% 的其他九种元素。历史上，只有从事实验室规模项目的科学家才对它们有很大需求，因此地质学家们很少有动力去寻找新的来源。其后果是对能源关键元素的普遍性、可用性和成本效益缺乏了解。这种知识的缺乏会滋生焦虑。例如，2010 年 8 月，《自由主义杂志 Reason》打出了这样的标题：“忘记石油峰值。锂峰、钕峰和磷峰呢？”就锂而言，随着我们对这种元素丰富性的了解增多，恐慌已经开始消退。但其他 28 种能源关键元素的情况是否也会如此？而锂的供应状况又能告诉我们关于其他元素什么呢？
要理解一组不起眼的元素为何突然受到如此关注，可以考虑汽油车和电动汽车之间的竞争。内燃机本身效率低下。一辆普通的汽油车只能将汽油能量的 12.6% 转化为功。但石油巨大的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。即使是其中的 12.6% 也足以在高速公路上驱动一辆数千磅重的汽车行驶 30 多英里。当石油便宜且似乎取之不尽时——就像 20 世纪大部分时间一样——这种效率低下是可以接受的。
然而，石油不再便宜，而且肯定也不是取之不尽的。我们已经进入了汉普郡学院教授 Michael Klare 所说的“艰难石油时代”，在这个时代，易于提取的矿藏已经枯竭，迫使我们钻探到海洋深处。与此同时，日益壮大的印度和中国中产阶级似乎准备在 2050 年将地球上的汽车数量增加一倍，达到 20 亿辆。
如果它们要取代汽油车，电动汽车就需要尽可能最好的电池，而如今这些电池是基于锂的。锂是元素周期表上第三轻的元素，非常适合轻量化储能。由于其极高的反应性，它可以作为几乎任何其他元素更具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，实现了从 30 盎司的摩托罗拉 DynaTAC（俗称《华尔街》中的迈克尔·道格拉斯手机）到 4.8 盎司的 iPhone 4 的转变。现在，汽车制造商正押注锂可能对交通运输产生同样变革性的影响。
但是锂及其电池只是更大系统的一部分。要利用电池中存储的每一瓦时电能，就需要最高效的电动机——而这些电动机中的磁铁需要稀土元素，如钕和镝。从风能和太阳能等可再生能源发电也需要超高效的机器。自然，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。
在所有这些情况下，能源如此宝贵，以至于高性能材料即使需要稀有的元素也值得付出成本和精力。“如果你从家里的插座获取电力，每千瓦时 10 美分，谁还在乎它是一个效率较低的磁铁？”麻省理工学院材料科学教授、APS/MRS 矿物供应脆弱性报告委员会成员 Gerbrand Ceder 说。“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领域。”目前，能源关键元素在家用电器中并非必需。但风力涡轮机和电动汽车几乎没有它们就几乎不值得制造。
然而，提供这种效率的元素的成本和可用性可能是一个问题。为了大规模部署，清洁能源时代的机器必须在成本上与当今的化石燃料系统竞争。但是，除非大规模制造，否则清洁技术就无法在成本上竞争，如果原材料不可用且价格合理，任何东西都不会批量生产。
正如 APS/MRS 报告指出的那样，“如果拥有无限的资金，至少在可预见的未来，任何化学元素的可用性都没有绝对限制。”理论上，科学家可以从一桶随机的泥土中提取少量的许多元素——但这可能花费不菲。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：有多少？更重要的是，将它们从地下提取出来需要多少成本？
世界上最大的锂生产商 Sociedad Química y Minera de Chile S.A. (SQM) 在地球上最干燥的阿塔卡马沙漠运营，那里的土壤贫瘠到 NASA 用它来校准探测火星探测器的微生物。去年 5 月，我前往智利北部参观了该公司。SQM 的营销经理 Andrés Yaksic 在圣佩德罗德阿塔卡马（SQM 工厂以北约 50 英里的旅游绿洲）与我见面。在一个明媚、寒冷的早晨，我们出发前往工厂。天空湛蓝如钴，我们向南行驶，前往世界上最大的锂资源之一的阿塔卡马盐沼。SQM 表示，阿塔卡马盐沼含有约 4000 万吨已测量到的、经济上可开采的碳酸锂。
大约一个小时后，我们右转进入盐沼中的一条砂石路。推土机堆砌的盐堤和大小与郊区办公楼相当的白色土堆点缀着风景。我们在一个小型办公楼停下，穿上靴子、亮橙色安全背心和安全帽。然后，我们走到外面，与负责带我们参观蒸发池的 operaciones 经理 Álvaro Cisternas 会面。他身材矮胖，肤色黝黑。
SQM 工厂的卫星图像显示，在可可色的土地上雕刻着巨大的白色和蓝绿色方格，就像世界上最大的游泳池设施。在这些池塘里，从地下含水层抽上来的卤水在 quasi-Martian 的阳光下蒸发数月。水蒸发，卤水浓缩，一段时间后，矿物质开始沉淀。然后，将用于锂生产的卤水通过管道输送到专门的蒸发池系列中，每个池塘的颜色都越来越深。随后，一辆油罐车将最终产品——一种含 6% 锂的溶液——运往太平洋沿岸一家工厂，车程三小时。在那里，它被加工成碳酸锂，一种白色粉末，看起来太像可卡因了，以至于我不敢试图携带样品飞回美国。
我们在池塘边走了一圈后，Cisternas 开车带我们到一个小盐山顶，那里被辟为观景点。蒸发池、拖拉机、卡车、附属建筑和堆积如山的宝贵盐堆绵延数英里，尽管那里的空气如此干燥、清晰，景色如此一览无余，以至于很难对这个设施的规模做出准确的判断。
目前，能源关键元素在家用电器中并非必需，但风力涡轮机和电动汽车几乎没有它们就几乎不值得制造。SQM 每年从这个盐滩提取世界锂供应量的 31%，这只是该盐滩已知 4000 万吨储量中的 4 万吨。早些时候，Yaksic 告诉我，在几个月内，产量就可以增加到目前全球总需求的 3 到 4 倍。现在，为了强调该公司世界领先的产能，Cisternas 和 Yaksic 指着远处的一组池塘，并解释说，SQM 每年实际上会将其无意中捕获的数百万吨锂放回盐滩——这些锂是为赚取真正利润而捕获的。尽管是世界上最大的锂供应商，SQM 的收入却更多地来自“特种植物营养”，即用于我们绣球花和天竺葵的钾肥。
在能源关键元素中，锂的开采异常容易，至少从像阿塔卡马盐沼这样的卤水源来看。尽管如此，许多其他关键元素的形势可能也比通常报道的要不那么严峻。“在我看来，大部分问题都被夸大了，”麻省理工学院的 Gerbrand Ceder 说。“系统中存在巨大的缓冲。”
首先，如果一种元素的价格上涨，人们就会有动力花更多的钱从原矿中精炼这种元素。“有很多采矿废料仍然含有大量的金属，”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。就能源关键元素而言，它们的生产通常伴随着更广泛使用的矿物的提取，废料堆可以成为宝贵的储量来源。
另一个经常被忽视的缓冲是简单的需求等级：如果一种元素的供应有限，那么最需要它的行业就会从最需要它的行业手中夺走。例如，铂金是汽车公司要求安装在汽车排气过滤器中不可或缺的催化剂。如果铂金的需求增加，并不意味着汽车公司会减少催化转化器的使用。而是意味着夫妻们会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，碲还用于制造热电器件（将废热转化为电能）和钢合金。如果碲的需求增加，它就会迅速变得清楚谁最需要它。“你会发现，对于碲来说，太阳能行业处于整个链条的最顶端，”Ceder 说。“他们从中获得的价值如此之高，以至于钢铁行业的人将被挤压，然后是热电器件行业。”
并非所有专家都如此确定。咨询公司 Technology Metals Research 的联合创始人 Jack Lifton 认为，碲的生产经济性并不划算，而且在未来几年，碲的产量可能会下降。铜生产商负责世界上几乎所有的碲，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很稀有。碲就是如此，铼也是如此，铼是一种铂族元素，添加到高温合金中，以允许喷气发动机在更高、更高效的温度下运行。铼的稀有程度是黄金的五倍。因此，五年前，通用电气启动了一项密集的铼回收计划，同时寻找替代的高温合金，并在几年内找到了。今年 2 月，日本政府和 100 多家日本公司也开始了一项类似的、耗资 13 亿美元的计划，旨在将该国对中国稀土的依赖减少三分之一。
减少对关键元素的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电机。但是，替代是一个漫长而昂贵的过程。“事实是，直接替代品很少奏效，”Ceder 说。“通常需要重新设计的。”
Ceder 正在努力使材料设计过程更短、更简单。他使用庞大的计算机库来计算决定化学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。“而且早就该这样了。我可以在周五安排 1,000 次计算，到周一就能完成。当我们今天走进实验室制造东西时，成功率是 50%。”
回收可能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 Thomas Graedel 所主张的那样，我们需要开始将我们的城市视为“人为矿藏”——矿产的来源是废旧汽车、电脑、电池等。
目前，美国的能源关键元素回收率很低。2010 年，几乎没有回收碲，回收的锂很少，只有 17 吨铂族元素。同年，美国仅铂族元素就进口了 195 吨。APS/MRS 报告建议联邦政府为富含关键元素的产品创建“关键材料” designation，并利用押金来鼓励消费者回收它们。
如果铂金需求增加，并不意味着汽车公司会减少催化转化器的使用。而是意味着夫妻们会交换更少的铂金结婚戒指。即使我们更好地管理了能源关键元素的供应，在某些时候我们仍需要新的矿山。在过去的几年里，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发稀土矿的计划。新的和已有的锂生产商正在开发从澳大利亚及其他地方的硬岩矿石中提取锂的技术。与此同时，投资者和政界人士正在推动一项长期被视为禁忌的事情：在美国开采能源关键元素的矿山。
美国拥有至少 1300 万吨稀土矿藏，400 万吨锂，以及其他重要的能源关键元素矿藏。然而，其中很少有矿藏被开采，主要是因为严格的审批程序和环境法规。这些限制通常会导致从矿山勘探到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必要性必须与认识到采矿所造成的破坏相权衡。对于稀土矿物来说，这种平衡可能特别难以实现，因为它们的开采几乎总是会带出低放射性物质铀和钍。2002 年，曾是世界最大稀土元素来源地的加利福尼亚州东南部山山口矿因少量放射性水泄漏而关闭。尽管如此，拥有山山口矿的科罗拉多州公司 Molycorp 正在重新设计和重建该矿的现场精炼厂。该公司计划在今年重新开放山山口矿，并迅速开始每年生产 20,000 吨稀土氧化物。
锂的开采不涉及有毒废物和放射性矿渣，但矿山的は环境影响总是充满争议的。在拉斯维加斯会议的第二天，我与一群投资者和矿业高管一起飞往内华达州北部，参观了拟建的西部锂矿，这是美国最大、最先进的能源关键元素项目之一。在一间简陋的棚屋里，这里是公司临时总部，胶合板桌上摆满了矿址岩芯样本，我与西部锂公司的首席执行官 Jay Chmelauskas 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。他上一个项目是无疑更不道德的任务——负责监督中国一家大型露天金矿的建设。“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外套，装进四驱车，然后向西行进约 12 英里的一处低矮山脉。这里是叉角羚的家园，也是沙漠大角羊的栖息地。大约 20 分钟后，我们拐出铺好的公路，驶上一条土路，开到一处被灌木覆盖的山顶，停在一处被反铲挖掘了约 15 英尺深的沟壑旁。我们走下壕沟。我的靴子踩在潮湿的、肝脏色粘土上；感觉就像走在一个巨大的橡皮泥片上。西部锂公司最新的数据显示，这种粘土海绵含有相当于至少 150 万吨碳酸锂，足以满足目前世界需求 12 年以上。
在两到五年内，我们脚下的这片土地将成为一个露天矿。如果一个矿不够，还可以开采北部的另外四个粘土矿床。早些时候，我问 Chmelauskas 像这样的矿山会对环境造成什么影响。从粘土中开采锂可能比许多其他采矿业的破坏性要小，但它绝不是没有影响的。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，总会有权衡。“我的意思是，我们将在山边挖一个大洞，”Chmelauskas 说。“但你必须权衡净成本。”
本文改编自 Seth Fletcher 的著作《瓶装闪电：超级电池、电动汽车和新的锂经济》，该书现已由 Hill and Wang 出版。您也可以在此处的 PopSci 上查看 Seth 关于锂技术的其他帖子，或者在 Facebook 上关注 Bottled Lightning，或者在 Twitter 上关注 Seth。有太多选择了！
