我们的日常生活现已离不开“锂”，譬如阁下随身携带的手机内就装配了锂电池。近年锂电池更成为电动车不可或缺的重要零件，于是全球对锂的需求不断上升，刺激锂价持续上涨，让锂被誉为“白金”（White Gold）。为满足锂需求，各国除积极部署国产锂供应链外，更着手开发锂电池替代品：中国、美国、欧洲、日本的企业与研究机构已埋首于研制镁电池或钠电池，可见一场“后锂电池”时代的全球技术竞赛经已开打了！

2022年锂短缺5,000公吨

　　锂是一种柔软的银白色金属，重量极轻，可浮在水上；同时，它的原子量也很小，用来制作电池阳极，可提供很高的能量密度。目前锂电池已广泛应用于智能手机、笔记簿型计算机、电动车，甚至风能或太阳能发电站的储能系统。

　　国际市调机构标普智汇（S&P Global Market Intelligence）的数据显示，2022年全球锂供应量可望达到63.6万吨碳酸锂约当量，同年锂需求量则预计为64.1万吨；换言之，全球锂市场将有5,000公吨的供应缺口。

　　因此，近期锂的价格不断飙升。美国银行（Bank of America）分析指，在全球锂需求增长的带动下，锂价在2021年已暴涨近300%，来到2022年初更攀升到每公斤40美元（约312港元）以上，预测2022年底有机会上涨至每公斤50美元（约390港元）以上。不过，未来一年锂价涨幅将较2021年有所减缓，主要原因是预期锂价大涨后，各地锂供货商已积极扩产。

锂（Lithium）是最轻的金属和最轻的固体元素，可以浮在水上，在地壳中的含量只有0.0065%。（图片来源：维基百科）

中国占锂供应链主导地位

　　目前锂矿物大部分来自澳洲和“南美锂三角”：波利维亚、阿根廷、智利；在锂电池制造领域上，则由中国占据主导位置。彭博新能源（Bloomberg NEF）的数据显示，中国的主导地位建基于国内庞大的电池需求，并且掌控全球原材料冶炼的80%、全球电池容量的77%，以及全球电池组件制造的60%。

　　根据彭博新能源2020年锂电池供应链排行榜，中国稳占首席、日本紧随其后、韩国位列第三、加拿大与德国双双排名第四、美国则为第六位。预计到2025年首席与次名的排名将会保持不变，而美国因积极投入国内供应链部署，有望跃升至第三位。

　　美国政府于2021年6月发表国内锂生产和提炼，以及锂电池制造的蓝图，目标是2030年全国电动车销量达到50%。现时内华达州、加州、北卡罗莱纳州、阿肯色州等地已展开锂生产计划。

Controlled Thermal Resources现已在加州索尔顿湖区进行钻探，预计于2023年底完成50MW地热发电容量，并在2024年交付20,000吨氢氧化锂。（图片来源：Controlled Thermal Resources官网）

美加快部署国内锂供应链

　　以内华达州为例，美洲锂业公司（Lithium Americas）已获政府批准，在塔克帕斯（Thacker Pass）进行锂矿开采计划。该矿场坐落于内华达州雷诺（Reno）以北约200英里的一座超级死火山内，占地2平方英里，锂储藏量高达310万公吨，是美国最大的锂矿床。该公司希望可以在2022年启动采矿作业，预计每年可生产6万公吨电池级碳酸锂。

　　不过，开采锂矿过程却会对环境造成破坏。以智利阿塔卡马（Atacama）沙漠的锂矿场为例，业者需要从地下水道抽出数百万加仑水，然后注入绵延数英里的大型池塘进行蒸发，以收集和提炼留下的锂矿渣，平均每吨锂产出就要消耗约18,000加仑淡水，更会产生大量化学物质污染周遭环境。

为了在智利阿塔卡马提取锂，矿业者需将地下盐水从20至40米深的地方抽上来，跟着注入蒸发池，将水蒸发数月后，留下的矿渣中锂浓度可达6%，然后再进行化学加工，制成碳酸锂。但这个过程降低了沙漠地区的地下水位，导致沙漠化加剧。图中为智利矿业化工（SQM）在阿塔卡马的锂矿场。（图片来源：SQM官网）

　　因此，Thacker Pass开采计划已引起美国原住民与环保人士的抗议。有环保团体表示，每制造一辆电动车便会产生9吨温室气体，而且采矿也会有碳排放，遂在Thacker Pass扎营抗议11个月，使到开采计划持续延宕。

新技术从盐水提取锂矿物

　　幸好，近年已研发出新技术，能以不浪费水的方式来提炼锂。美国初创公司Lilac Solutions与来自澳洲的地热能源开发商Controlled Thermal Resources（CTR）合作，拟于2023年在加州索尔顿湖（Salton Sea）提取锂矿物。CTR会寻找适当的地热点，钻探到地下数千英呎，抽取摄氏400至500高温的盐水，用作蒸气发电。

　　跟着，Lilac会在盐水中加入可重复使用的附着剂，吸收盐水中90%的锂，制成碳酸锂或氢氧化锂；经处理后的水会直接注回地底，以免地下水流失。由此看来，这种透过零碳排能源所开采的锂，几乎不会造成水资源浪费。通用汽车（General Motors）已于2021年夏季向CTR投资数百万美元，以取得这些锂的优先采购权。

　　此开采模式一旦成功的话，就可以使这个加州最穷困的地区咸鱼翻身，变成锂生产基地“锂谷”（Lithium Valley）。业界推估，到2024年当地可年产2万吨氢氧化锂，足够制造40万辆特斯拉（Tesla）电动车所需的锂电池，最终更可望把产能提高至年产30万吨。

现售Tesla电动车主要采用圆柱形的镍钴铝（NCA）三元锂电池。图中为特斯拉电池主要供货商Panasonic的电池生产线。（图片来源：Panasonic官网）

镁电池具高能量密度优势

　　纵然对环境影响较小的采矿技术经已出现，惟因为锂价太高，电池开发商或许会投向完全绕过锂的新电池技术。事实上，锂在地壳中的含量非常少，约为0.0065%，估计全球储藏量仅有8,600万吨；相比起来，钠、镁的蕴藏量就要高得多：钠在地壳中的含量为2.74%，镁含量更高达13.9%。于是，科学家们开始将目光投向钠、镁等金属。

镁（Magnesium）是地壳中含量第八多、海洋中溶解第三多的元素，也是地球中第四常见的元素（前四名分别是铁、氧、硅、镁）。（图片来源：维基百科）

　　2019年，英国剑桥大学、丹麦与以色列的理工科院校、德国与西班牙的研究机构联合发起一个名为“欧盟镁交互电池共同体”（E-Magic）的研究项目，取得欧盟670万欧元（约5,880万港元）资助，目标是开发能量密度高达每升1,000瓦时的镁电池。现时实验室中研制出来的镁电池已可重复充放电500次以上。

　　2020年，美国休斯顿大学与北美丰田研究中心共同研制出一种高能量的镁电池，可适用于电动车、储能系统等。其阴极材料使用有机化合物，阳极则用上芘四酮（PTO），再加上基于硼块的弱配位电解质，可让离子运动变得更快。虽然这种电池暂时只能重复充放电200多次，惟研究团队却表示已找到开发高稳定性、高性能电池的方向了。

　　镁电池以镁作为阳极，1个镁离子能够携带2个电子，跟只能携带1个电子的锂离子相比，可使电池容量增加到2倍以上，应用到电动车有助增强其续航力。

钠电池容易生产且成本低

　　2020年，来自斯坦福大学的初创公司Natron Energy，获得美国能源部高级研究计划局1,990万美元（约1.55亿港元）资助，用于开发钠电池。研究团队采用普鲁士蓝类似物（Prussian Blue Analogue）作为阳极和阴极材料，搭配水系电解质来制作电池，宣称8分钟即可充满电，更能重复使用5万次以上，适用于电动车与数据中心的后备电源系统。

Natron Energy现已推出钠电池产品“Natron BlueTray 4000”，可提供给数据中心作为后备电源系统。（图片来源：Natron Energy官网）

　　2021年7月，中国电池业巨擘宁德时代发表一款钠电池，声称具有超快充特性，只需15分钟即可充电80%。目前其能量密度为每千克160瓦时，低于锂电池的每千克285瓦时，但在摄氏零下20度的环境下仍可稳定供电。宁德时代表示，这种钠电池适用于低价电动汽车，目标是2023年能够建立基础产业链。

宁德时代钠电池的能量密度比一般锂电池还要少上4成，因此该公司拟开发钠AB电池解决方案，把钠电池与锂电池整合至同一电池系统。这样既可让电池配置更加多元化，又可弥补钠电池能量密度不足的缺点。（图片来源：宁德时代官网）

　　2021年11月，日本电气硝子（Nippon Electric Glass）宣布，成功研发出全固态钠电池，阳极材料弃用遇水即会产生剧烈反应的钠，改用稳定性较高的结晶玻璃，有效提高电池运作的安全性。

镁钠电池技术仍有待改进

　　钠电池的最大优势是，毋须使用锂、钴等稀有金属，电极材料主要是盐，很容易从海水中提炼，不但更易实现稳定供应，生产成本也比较低。日本市调机构富士经济评估，钠电池2020年的全球市场规模仅为1亿日圆（约700万港元），但到2035年可望暴增至493亿日圆（约33.7亿港元）。

钠（Sodium）是地壳中含量第六多、海洋中溶解第一多的元素（前三名分别是钠、氯、镁。（图片来源：维基百科）

　　尽管各种锂电池替代技术研究进行得如火如荼，惟镁、钠电池在技术与材料上仍有很多难题需要克服。镁离子体积小、电荷密度大、极化作用强，较难形成嵌入式化合物，致使可供选择的阴极材料受限，所以距离大规模商业化应用还有相当距离。

　　钠电池技术相对地较为成熟，但因为钠离子半径与体积较大，以致在能量密度提升上受到限制，可能较适合用于对能量密度要求不高的装置，如低价电动车或储能系统。由是观之，研究人员今后仍需致力于改进电极材料，务求研制出成本更低、性能更强的锂电池替代品，以满足电动车市场增长所带来的庞大电池需求。