隨著全球能源轉(zhuǎn)型，鋁能否替代大量新增的銅需求?目前，不少公司及業(yè)界學(xué)者正探索如何更好地“以鋁代銅”，并提出調(diào)整鋁的分子結(jié)構(gòu)可以提高其導(dǎo)電性。

鋁，圖片來自Getty Images

銅由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性，被廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)，特別是集中于電力、建筑、家電、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。但隨著世界轉(zhuǎn)向綠色能源，例如電動(dòng)汽車和可再生能源的發(fā)展，銅的供應(yīng)來源問題逐漸凸顯，市場對銅的需求正在飆升。例如，一輛電動(dòng)汽車使用的銅大約是一輛傳統(tǒng)汽車的4倍，而用于可再生能源發(fā)電廠的電氣元件以及將其連接到電網(wǎng)的電線更需要大量的銅。

(資料圖)

能源咨詢公司伍德麥肯茲分析師估計(jì)，未來10年，海上風(fēng)力發(fā)電場將需要550萬噸銅，主要用于發(fā)電機(jī)內(nèi)部的大型電纜系統(tǒng)，以及將渦輪機(jī)產(chǎn)生的電子輸送到海岸。隨著近年銅價(jià)飆升，有分析師預(yù)計(jì)銅的缺口將越來越大，高盛(Goldman Sachs)分析師更稱銅是“新石油”。由于銅在實(shí)現(xiàn)脫碳和使用可再生能源方面至關(guān)重要，市場面臨銅供應(yīng)緊張，這可能會(huì)使銅價(jià)在四年內(nèi)漲超60%。

印尼首都雅加達(dá)一名工人正在清點(diǎn)銅線

相比之下，鋁作為地殼中含量最多的金屬元素，其儲(chǔ)量約是銅的一千倍，由于鋁的重量比銅輕得多，開采起來也更經(jīng)濟(jì)和便利。近年來，一些公司已通過技術(shù)創(chuàng)新，利用鋁替代稀土金屬。從電力、空調(diào)到汽車零部件等制造商采用“以鋁代銅”，節(jié)省了數(shù)億美元。沙特電力公司曾表示，通過在中壓配電網(wǎng)絡(luò)中以鋁代銅，已為公司節(jié)省24億沙特里亞爾（約合6.4億美元）。此外，高壓電線通過采用既經(jīng)濟(jì)又輕便的鋁線，能夠?qū)崿F(xiàn)更長距離。

不過，伍德麥肯茲銅市場首席分析師Jonathan Barnes表示，這種“以鋁代銅”的情況已經(jīng)放緩。在更廣泛的電氣應(yīng)用中，鋁的導(dǎo)電性是主要限制原因，其導(dǎo)電率只有銅的三分之二。

目前，美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的研究人員正努力提高鋁的導(dǎo)電性，使其比銅更具市場競爭力。研究人員認(rèn)為，如果改變金屬的結(jié)構(gòu)，并引入合適的添加物，確實(shí)可以影響金屬的導(dǎo)電性。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)如果完全實(shí)現(xiàn)，可能會(huì)生成超導(dǎo)電的鋁，將在輸電線以外的市場領(lǐng)域發(fā)揮作用，為汽車、電子設(shè)備和電網(wǎng)等領(lǐng)域帶來改變。

銅線（左）與鋁線（右），圖片來自Shutterstock.com

“如果能讓鋁的導(dǎo)電性更強(qiáng)，甚至達(dá)到銅的80%或90%導(dǎo)電性能，鋁將可以替換銅，這將帶來巨大的轉(zhuǎn)變。因?yàn)檫@樣的鋁導(dǎo)電性更好、重量更輕、更便宜、儲(chǔ)量更豐富。”PNNL材料科學(xué)家Keerti Kappagantula認(rèn)為導(dǎo)電性是關(guān)鍵。如果具有和銅一樣的導(dǎo)電性，更輕的鋁線可用于設(shè)計(jì)出更輕的電機(jī)和其他電氣組件，汽車因此可以行駛更長距離?！皬钠囯娮釉O(shè)備到能源生產(chǎn)，再到通過電網(wǎng)將能源傳輸?shù)郊抑袨槠囯姵爻潆?，任何依靠電力運(yùn)行的東西都可以變得更高效?！?/p>

PNNL研究人員采用一種被稱為固相制造的工藝，這種工藝?yán)迷谳^低溫度下的剪切力和摩擦力來將新的碳材料放入金屬中。同時(shí)，在這一溫度下鋁變得更有彈性，研究人員以此控制材料的分布，并用計(jì)算機(jī)模擬新鋁合金的原子結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證材料的分布。Kappagantula表示，重新發(fā)明具有兩個(gè)世紀(jì)歷史的制鋁工藝是值得的。

未來，前述研究小組將采用新鋁合金制造電線，以及棒材、薄板等，并通過一系列測試，確保其具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性，并且強(qiáng)度和靈活性足以用于工業(yè)用途。如果通過了這些測試，團(tuán)隊(duì)表示將與制造商合作生產(chǎn)更多的鋁合金。