全球气候问题日益严峻，环境与生态保护和可持续发展逐步受到重视。公路运输是温室气体排放的主要来源之一，随着化石资源价格逐年上升与资源枯竭，也给传统燃油车的经济性和可靠性带来了挑战。
采用电动汽车和燃料电池车，有助于交通运输的脱碳实现。但一直以来，清洁能源转型与电动汽车的关键金属需求之间的权衡问题饱受争议。
电动车的电池组件制造需要大量的关键金属，然而其中部分元素（比如锂和钴等）仅分布于有限的地区或国家。因此，电动车的生产与使用也依赖于这些地区或者国家的资源供应。
另一方面，电动车通过充电获取动力，而电能来源的清洁程度将直接影响到电动车的碳排放。利用来自可再生能源（例如风能、太阳能）的电力，有助于提高电动车的碳减排效果。相反，依赖传统能源（包括燃煤等）产生的电力，则将大大降低碳减排效果。
这也意味着，如果电动车使用清洁能源的技术支持跟不上市场的推广与发展，可能不仅无法实现预期减排和“双碳”的目标，还会导致关键金属的浪费。
图丨尤峰崎（来源：尤峰崎）
基于此，美国康奈尔大学尤峰崎教授团队分析了各类公路运输交通工具电气化过程中的温室气体减排和关键金属需求的权衡问题，具体包括通过构建多种情景综合分析减排潜力、关键金属需求、电动车渗透率情景、能源转型情景和电池市场情景等。
研究人员针对道路交通部门的各类车辆进行综合评价，提出了全面的政策建议。首先，电动车市场推广应与各地区清洁能源技术转型与发展保持协调一致；其次，重型纯电电动车制造将消耗关键金属需求总量的一半以上。
因此，为实现“双碳”转型及加工制造过程中对关键金属需求的同时降低，他们建议可考虑重型车辆采用其他清洁能源，如生物质能和氢能。
“此外，电池的技术革新对解决公路运输电气化过程中关键金属需求不足所带来的负面影响至关重要，比如通过供应充足的金属代替关键金属，以及延长电池的寿命。”尤峰崎说。
值得关注的是，作为电动汽车在一个国家的汽车保有量中所占比例，电动车渗透率会对关键金属需求和温室气体排放产生直接影响。因此，该团队认为，根据清洁能源的发展情况来制定电动车的渗透率，能权衡关键金属供需情况和减排目标的实现。
审稿人对该研究评价称：“该研究的一系列新发现对解决向清洁交通转型过程中，围绕关键材料短缺的供应链研究挑战做出了重大贡献。”
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
4 月 11 日，相关论文以《汽车电气化中关键金属需求和交通脱碳之间的协调》（Trade-off between critical metal requirement and transportation decarbonization in automotive electrification）为题发表在Nature Communications 上[1]。
康奈尔大学博士后张纯博、博士生赵翔分别为该论文的第一和第二作者，尤峰崎教授为论文的通讯作者。
随着电动车市场的不断扩张，对电动车中钴、镍、锂、铂等关键金属，以及清洁能源的需求逐年攀升。因此，保障关键金属的供应以及绿电和绿氢等清洁能源开发，成为电动车产业发展面临的重要挑战。
根据论文内容，发展电动车可能会导致锂，镍，钴的供应危机。因此，无论交通能源转型如何发展，更高的电动汽车普及率都将减少燃料使用产生的温室气体排放。与此同时，温室气体排放对能源部门脱碳更为敏感，预计到 2040 年，交通燃料生产相关的温室气体净排放可能接近零。
张纯博表示：“我们应该谨慎对待重型汽车行业的电气化，尤其是重型电动汽车。尽管重型汽车仅占每个国家公路交通载具总数的 4-11%，但重型电动汽车中使用的与电池相关的关键金属，占关键金属总需求的 62%。”
图丨公路运输（货运，客运）以及锂电池的当前和未来市场信息（来源：Nature Communications）
根据该团队分析，从旧的电动汽车电池中，回收五种关键金属作为二次原料会变得越来越重要，其占比从 2020 年的不到 1% 将逐步到 2050 年增长至少 24%。
另一方面，生物燃料可被视为交通电气化早期阶段的补充战略，但是生物燃料的广泛使用也可能导致对现有内燃机汽车技术的锁定，从而阻碍电气化的进一步发展。
图丨汽车电气化中关键金属需求与运输脱碳之间的权衡（来源：Nature Communications）
尤峰崎课题组的主要研究方向是系统工程和人工智能，以及在能源气候系统可持续发展等领域的应用。其研究体系覆盖范围广，小到纳米尺度，比如纳米能源材料，大到全球气候系统。他们用多尺度系统分析方法来研究相关的科学问题，目前也在积极从事通过人工智能的方法来加速科学探索。
赵翔表示：“研究可持续发展类课题对人类和自然的和谐共处十分关键。能源部门一直是碳排放重灾区，探究可持续的公路运输方案可有效缓解碳排压力。”
下一步，该课题组将基于目前的碳足迹模型进一步构建具体的交通和燃油行业碳减排路径分析，并构建电池生产的碳足迹模型，继续探讨氢燃料电池汽车的实际减排可行性以及开发新型的汽车电池技术，以减少对相应金属的依赖。
参考资料：
1.Zhang, C., Zhao, X., Sacchi, R. et al. Trade-off between critical metal requirement and transportation decarbonization in automotive electrification. Nature Communications 14, 1616 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37373-4