采用電動汽車和燃料電池車，有助于交通運輸的脫碳實現。但一直以來，清潔能源轉型與電動汽車的關鍵金屬需求之間的權衡問題飽受爭議。

電動車的電池組件制造需要大量的關鍵金屬，然而其中部分元素（比如鋰和鈷等）僅分布于有限的地區或國家。因此，電動車的生產與使用也依賴于這些地區或者國家的資源供應。

另一方面，電動車通過充電獲取動力，而電能來源的清潔程度將直接影響到電動車的碳排放。利用來自可再生能源（例如風能、太陽能）的電力，有助于提高電動車的碳減排效果。相反，依賴傳統能源（包括燃煤等）產生的電力，則將大大降低碳減排效果。

這也意味著，如果電動車使用清潔能源的技術支持跟不上市場的推廣與發展，可能不僅無法實現預期減排和“雙碳”的目標，還會導致關鍵金屬的浪費。

基于此，美國康奈爾大學尤峰崎教授團隊分析了各類公路運輸交通工具電氣化過程中的溫室氣體減排和關鍵金屬需求的權衡問題，具體包括通過構建多種情景綜合分析減排潛力、關鍵金屬需求、電動車滲透率情景、能源轉型情景和電池市場情景等。

研究人員針對道路交通部門的各類車輛進行綜合評價，提出了全面的政策建議。首先，電動車市場推廣應與各地區清潔能源技術轉型與發展保持協調一致；其次，重型純電電動車制造將消耗關鍵金屬需求總量的一半以上。

因此，為實現“雙碳”轉型及加工制造過程中對關鍵金屬需求的同時降低，他們建議可考慮重型車輛采用其他清潔能源，如生物質能和氫能。

“此外，電池的技術革新對解決公路運輸電氣化過程中關鍵金屬需求不足所帶來的負面影響至關重要，比如通過供應充足的金屬代替關鍵金屬，以及延長電池的壽命。”尤峰崎說。

值得關注的是，作為電動汽車在一個國家的汽車保有量中所占比例，電動車滲透率會對關鍵金屬需求和溫室氣體排放產生直接影響。因此，該團隊認為，根據清潔能源的發展情況來制定電動車的滲透率，能權衡關鍵金屬供需情況和減排目標的實現。

審稿人對該研究評價稱：“該研究的一系列新發現對解決向清潔交通轉型過程中，圍繞關鍵材料短缺的供應鏈研究挑戰做出了重大貢獻。”

圖丨相關論文（來源：Nature Communications）

康奈爾大學博士后張純博、博士生趙翔分別為該論文的第一和第二作者，尤峰崎教授為論文的通訊作者。

隨著電動車市場的不斷擴張，對電動車中鈷、鎳、鋰、鉑等關鍵金屬，以及清潔能源的需求逐年攀升。因此，保障關鍵金屬的供應以及綠電和綠氫等清潔能源開發，成為電動車產業發展面臨的重要挑戰。

根據論文內容，發展電動車可能會導致鋰，鎳，鈷的供應危機。因此，無論交通能源轉型如何發展，更高的電動汽車普及率都將減少燃料使用產生的溫室氣體排放。與此同時，溫室氣體排放對能源部門脫碳更為敏感，預計到 2040 年，交通燃料生產相關的溫室氣體凈排放可能接近零。

張純博表示：“我們應該謹慎對待重型汽車行業的電氣化，尤其是重型電動汽車。盡管重型汽車僅占每個國家公路交通載具總數的 4-11%，但重型電動汽車中使用的與電池相關的關鍵金屬，占關鍵金屬總需求的 62%。”

根據該團隊分析，從舊的電動汽車電池中，回收五種關鍵金屬作為二次原料會變得越來越重要，其占比從 2020 年的不到 1% 將逐步到 2050 年增長至少 24%。

另一方面，生物燃料可被視為交通電氣化早期階段的補充戰略，但是生物燃料的廣泛使用也可能導致對現有內燃機汽車技術的鎖定，從而阻礙電氣化的進一步發展。

尤峰崎課題組的主要研究方向是系統工程和人工智能，以及在能源氣候系統可持續發展等領域的應用。其研究體系覆蓋范圍廣，小到納米尺度，比如納米能源材料，大到全球氣候系統。他們用多尺度系統分析方法來研究相關的科學問題，目前也在積極從事通過人工智能的方法來加速科學探索。

趙翔表示：“研究可持續發展類課題對人類和自然的和諧共處十分關鍵。能源部門一直是碳排放重災區，探究可持續的公路運輸方案可有效緩解碳排壓力。”

下一步，該課題組將基于目前的碳足跡模型進一步構建具體的交通和燃油行業碳減排路徑分析，并構建電池生產的碳足跡模型，繼續探討氫燃料電池汽車的實際減排可行性以及開發新型的汽車電池技術，以減少對相應金屬的依賴。

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

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