造一辆车需要多少化学元素?
材料
作者:X-MOL
2021-11-13
造一辆车需要多少化学元素?大概需要少量砷、少量氪、一汤匙钽和大量铜……这可不是臆测,而是详尽分析一系列汽车材料的成果。这些元素也只是“冰山一角”,因为制造现代汽车需要多达76种化学元素!学术界研究汽车制造的元素,不仅仅是为了反映汽车构造的配方,它还有着更深层的意义:揭示现代汽车工业从燃油车到电动车的历史变迁中所需元素的变化,以及这种变化会在多大程度上影响汽车工业的供应链。美国麻省理工学院的材料学家Randolph E. Kirchain等人就致力于这样的研究,他们想找出导致汽车原材料供应链可能的脆弱点,以帮助汽车工业制造商和决策者成功“避雷”。
Kirchain团队收集了福特汽车公司2019-20年生产的7款轿车和运动型多用途汽车(SUV)数据。这7款车含部分普通的内燃机汽车(ICEV)和插电式混合动力车(PHEV)。他们使用汽车制造商和供应商广泛使用的国际材料数据系统,计算出汽车部件中2000多种不同化合物的质量(图1)。随后,他们深入研究了化学文摘注册系统(CAS号)以找到每个化合物的元素组成(元素信息不明确的云母、天然橡胶、石墨排除在外)。系统中的化合物约占车辆质量的84%,他们根据与类似零部件的比较,开发了一种机器学习算法,以帮助识别质量缺失部分的材料。
图1. 数据集中零件质量的相互关系。图片来源:Environ. Sci. Technol.
Kirchain团队的研究发现,这7辆车的2000多种化合物共含有76种元素,其中含量最少的元素只有1 mg。每辆车平均含67-70种元素。在这个有趣的元素寻找游戏中,他们从汽车铅-酸蓄电池中发现了砷,头灯中发现了氪,电容器里找到钽。
Kirchain等人还通过计算这些汽车材料供应短缺时会如何影响制造成本,来评估汽车制造商在每种元素供应中断时的脆弱性(vulnerability)。他们通过整合一辆车中每种元素的质量信息,1998至2015年每克元素的平均价格和这段时间的价格波动性,计算出其美元价值,并称为风险敞口(exposure)。相比于以往研究倾向于用定性的方式分析汽车材料的风险敞口,Kirchain团队更希望找到一种新的定量标准(图2)。
图2. 插电混合动力型汽车的质量分布。图片来源:Environ. Sci. Technol.
他们的研究结果显示,对于一家年产量达100万辆汽车的制造商来说,完全从内燃机汽车过渡到插电式混合动力车将使其总风险敞口从10亿美元增加到20亿美元。他们的研究将从定量的角度促使人们去意识到问题的严重性,并刺激学术界和产业界投入更大的力量开发低风险的替代材料,或找到消耗更少高风险材料的方法(图3)。
图3. 每辆汽车的风险敞口分析 图片来源:Environ. Sci. Technol. [1]
几乎一半的额外风险敞口被发现来自混合动力汽车的电池,这些电池的制造依赖钴和镍等元素。此外,由于铺设汽车线路的大量需求和价格波动性,铜元素也存在巨大供应风险。对于所有的现代汽车而言,无论它们属于内燃机汽车还是新能源汽车,其传感器和其它电子系统中会大量用到黄金,这也带来了越来越大的风险敞口。另外,电动汽车没有尾气,因而就不再需要普通汽车尾气催化转换器内的铂族金属了。
Kirchain团队在文中强调,汽车制造商和决策者应该投资于科学研究,以减少高风险关键材料的使用,并找到替代品,同时构建循环使用更多汽车零部件材料的能力。事实上,关键材料供应中断带来的高成本风险表明,回收材料不应该被视为一项虽有益但代价不菲的繁琐工作,而应被视为应对稀缺原材料价格上涨的有效手段。
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Characterizing the Changes in Material Use due to Vehicle Electrification
Karan Bhuwalka, Frank R. Field III, Robert D. De Kleine, Hyung Chul Kim, Timothy J. Wallington, and Randolph E. Kirchain*
Environ. Sci. Technol., 2021, 55, 10097−10107, DOI: 10.1021/acs.est.1c00970
(本文由天生西南供稿)