稀有金属短缺如何影响绿色技术的未来

随着全球减少温室气体排放的努力，具有讽刺意味的是，几种能源或储蓄资源的技术并没有充分使用，仅仅是因为我们没有足够的原材料来制造它们。当他们试图在2009年进行转换时，通用电气犯规：他们将无法抓住足够的稀土来制造新灯泡。

从智能手机到电动车- 意味着由于地质和政治，对异国金属的需求不断增加。薄而廉价的太阳能电池板需要柜员，占地球地壳的0.0000001％，使其比黄金稀有三倍。高性能电池需要锂，只能从安第斯山脉的咸水池中提取。在将氢变成能量的燃料电池中，铂金几乎完全来自南非。

研究人员和行业工人都对这些狡猾的供应链造成的问题感到震惊，当时“稀土”的平均价格（包括Terbium and Europium）用于荧光灯灯泡；和新近座的强大磁铁用于驱动风力涡轮机和电动发动机 - 一年中的销量高达750％。问题在于，控制了全球稀土生产的97％的中国已经削减了贸易。一个解决方案得到了促进，价格冲击消失了，但是未来供应问题的威胁稀土和其他所谓的“关键要素”仍然隐约可见。

有希望的解决方案

这就是为什么创建了DOE AMES实验室的关键材料研究所的原因。该研究所于6月开业，官方剪彩是在9月的。它的使命是预测哪种材料将成为问题，努力改善供应链，并尝试发明首先不需要那么多关键元素的替代材料。该研究所是全球少数组织之一，试图解决关键要素的问题，例如美国物理社会等组织一直在呼吁注意多年。欧洲委员会项目的协调员奥利维尔·维达尔（Olivier Vidal）说：“这是现在在欧洲的热门话题。

研究所主任亚历克斯·金说：“这真的很紧急。”“我们今天面临着真正的挑战 - 明天我们需要解决方案，而不是第二天。”

尽管对能源技术至关重要的金属成本高和高需求金属被回收：2009年，据估计，回收了不到1％的稀土金属。在波恩解决电子废物问题（步骤）的负责人Ruediger Kuehr说，有4900万吨电子垃圾从手机到冰箱，每年都会生产。其中，也许10％是回收的。马萨诸塞州伍斯特金属加工研究所的创始董事迪兰·阿帕利安（Diran Apelian）说：“全球所有手机中有32吨黄金，” Apelian说，这是荒谬的。”“我们的城市垃圾填埋场中有一个巨大的金矿。”

将金属从现代技术中脱颖而出是一种痛苦，因为它们少量地纳入了越来越复杂的设备中。一部大约2000个手机使用了大约两打元素；现代智能手机使用了60多个。“我们使自己变得更加困难，”金说。他说，尽管技术中稀土的浓度相对较高，但在化学上，将它们与简单岩石中的周围材料分开比复杂的手机更容易。

Umicore领导回收费

但这是可能的。基于布鲁塞尔的公司Umicore金说，是关键金属回收技术的最前沿。在比利时霍博肯的现场，该公司每年回收约350,000吨的电子废物，包括光伏电池和计算机电路板，以恢复包括Tellurim在内的金属。2011年，乌米科尔开始冒险与法国公司Solvay合作，在其Antwerp站点中，从可充电金属氢化物电池（AAA电池中大约有一克稀土）中回收稀土。同样，日本汽车公司本田今年三月宣布它已经开发了自己的内部内部回收计划，用于金属氢化物电池，该公司计划使用日本地震和海啸损坏的汽车进行测试。关键材料研究所正在开发一种方法，该方法涉及在液态镁中熔化旧磁铁以取消稀土。库尔说：“在回收方面，一切皆有可能。”“这是一个问题是否是经济的问题。”

电子垃圾回收中最困难的步骤之一就是仅将电池或其他富含金属富的电池组件从较大的设备或机器中取出。这是一项艰巨而复杂的任务，经常移交给中国或尼日利亚等地方的低薪工人。例如，在中国南部的圭尤地区，有100,000多人努力拆开电子废物，将电路板沸腾以去除塑料，然后用酸浸出金属，对环境和他们自己的风险极大的风险。不受控制的燃烧会导致被污染的地下水和一项研究发现铅的水平升高在居住的儿童中。金说，日本正处于自动化这些过程的努力的最前沿，因此可以通过机器在经济上安全地完成它们。

阿佩利安说，比技术更重要的是政策和教育。在对美国回收速率的研究中，从塑料到金属，回收率最高的是铅酸电池，主要用于汽车。它们的回收率为98％，而铝罐约为50％。阿佩利安（Apelian）说，原因是因为政府担心领导者，为汽车公司提供了回收电池本身的经济动力。

阿佩利安（Apelian）说，必须将责任置于制造商中，以恢复和回收自己的产品，因此它们使它们首先更容易重复使用或破裂：“我们需要制造以恢复。这几乎是非 -存在。”

超越回收

回收可能是预计从长远来看需求将升级的元素的最佳途径。例如，由于荧光灯最终被较小的LED取代，对Terbium和Europium的需求可能会消失。但是对于其他元素，例如霓虹灯，这不是唯一的解决方案。金说：“目前，我们需要少量的媒体来供您的智能手机的耳朵出现。”“但是对于高性能的风力涡轮机，您需要大约两吨。”

对于预期需求增加的要素，一种选择是开放新的矿山。中国目前在稀土开采中占主导地位 - 部分地指出，2011年美国物理社会的报告，因为关于土地填海的更轻松的环境标准使其更便宜。但是资源存在于其他地方。据金说，世界各地正在研究大约450台潜在的稀土矿山。一些相当先进。加利福尼亚州山地通矿的稀有分部在2002年被中国倒闭后，今年重新开放。

尽管生产能力最初令人失望，但金认为冒险将成功。同样，澳大利亚的稀有地球山矿山正在升起。金说，这些努力在过去的一两年中将中国的生产份额从97％降低到约90％。

在处理仅少量使用的材料时，很难发展规模经济。例如，2009年全球对柜员的需求仅为200吨。所有这些都是来自铜或金矿开采的副产品。尽管泰瑞姆（Tellurium）非常有价值，每公斤145美元，但这些矿业公司的利润表几乎不会造成少量数量。金说：“他们必须被拖入生产踢和尖叫。”

另一个选择是使采矿过程更加有效。国王说，对于稀土而言，采矿公司基本上将岩石磨碎，将其扔进水中并通过它吹来泡泡：稀有地球的矿物质往往会漂浮，并且可以从顶部掠过。金说，但这仅捕获约65％的矿石中的稀土。现在，他的研究所正在使用DOE超级计算机来搜索可能与元素结合并帮助它们漂浮的分子。金说：“如果我们可以发明童话尘以使水从65％到75％的水中撒上，那么您会立即提高稀土生产，而不会打开新的矿山。”他希望这种策略能在一两年内成功。

最终的方法是找到不需要那么多关键元素的替代材料。这是一项艰巨的任务。金在其性质方面说：“稀土是一种魔术。”例如，它们是磁铁中的关键成分，因为它们将铁的强但不守规矩的磁性纠缠在一起 - 这是其他元素似乎无法做到的任务。试图使更强磁铁没有任何稀土的研究工作被认为是长期的。但是，金说：“我们可能不会全力以赴，但是我们可以得到最昂贵，最稀有的（稀土）。”

国王仍然乐观。他指出，用有限的资源挣扎。大约2，000年前的青铜时代导致铜供应干燥。金说，作为回应，古人回收的青铜，寻找新的矿山，并花费了200年来优化更可用但不理想的替代方案 - 铁 - 做同样的工作。今天的解决方案是相同的，尽管希望找到合适的替代品不会花那么长时间。金说：“不再需要200年的时间。”“我们正在拍摄两个。”

这个故事最初出现在耶鲁环境360博客。金掘金照片由Vitaly Korovin通过shutterstock。