隨著全球能源轉型，鋁能否替代大量新增的銅需求?目前，不少公司及業界學者正探索如何更好地“以鋁代銅”，并提出調整鋁的分子結構可以提高其導電性。

鋁，圖片來自Getty Images

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銅由于其優良的導電性、導熱性和延展性，被廣泛應用于各大行業，特別是集中于電力、建筑、家電、交通運輸等行業。但隨著世界轉向綠色能源，例如電動汽車和可再生能源的發展，銅的供應來源問題逐漸凸顯，市場對銅的需求正在飆升。例如，一輛電動汽車使用的銅大約是一輛傳統汽車的4倍，而用于可再生能源發電廠的電氣元件以及將其連接到電網的電線更需要大量的銅。

能源咨詢公司伍德麥肯茲分析師估計，未來10年，海上風力發電場將需要550萬噸銅，主要用于發電機內部的大型電纜系統，以及將渦輪機產生的電子輸送到海岸。隨著近年銅價飆升，有分析師預計銅的缺口將越來越大，高盛(Goldman Sachs)分析師更稱銅是“新石油”。由于銅在實現脫碳和使用可再生能源方面至關重要，市場面臨銅供應緊張，這可能會使銅價在四年內漲超60%。

印尼首都雅加達一名工人正在清點銅線

相比之下，鋁作為地殼中含量最多的金屬元素，其儲量約是銅的一千倍，由于鋁的重量比銅輕得多，開采起來也更經濟和便利。近年來，一些公司已通過技術創新，利用鋁替代稀土金屬。從電力、空調到汽車零部件等制造商采用“以鋁代銅”，節省了數億美元。沙特電力公司曾表示，通過在中壓配電網絡中以鋁代銅，已為公司節省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濟又輕便的鋁線，能夠實現更長距離。

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”的情況已經放緩。在更廣泛的電氣應用中，鋁的導電性是主要限制原因，其導電率只有銅的三分之二。

目前，美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)的研究人員正努力提高鋁的導電性，使其比銅更具市場競爭力。研究人員認為，如果改變金屬的結構，并引入合適的添加物，確實可以影響金屬的導電性。這項實驗技術如果完全實現，可能會生成超導電的鋁，將在輸電線以外的市場領域發揮作用，為汽車、電子設備和電網等領域帶來改變。

銅線（左）與鋁線（右），圖片來自Shutterstock.com

“如果能讓鋁的導電性更強，甚至達到銅的80%或90%導電性能，鋁將可以替換銅，這將帶來巨大的轉變。因為這樣的鋁導電性更好、重量更輕、更便宜、儲量更豐富。”PNNL材料科學家Keerti Kappagantula認為導電性是關鍵。如果具有和銅一樣的導電性，更輕的鋁線可用于設計出更輕的電機和其他電氣組件，汽車因此可以行駛更長距離。“從汽車電子設備到能源生產，再到通過電網將能源傳輸到家中為汽車電池充電，任何依靠電力運行的東西都可以變得更高效。”

PNNL研究人員采用一種被稱為固相制造的工藝，這種工藝利用在較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，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，并用計算機模擬新鋁合金的原子結構來驗證材料的分布。Kappagantula表示，重新發明具有兩個世紀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，確保其具有更強的導電性，并且強度和靈活性足以用于工業用途。如果通過了這些測試，團隊表示將與制造商合作生產更多的鋁合金。

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