来源： Nature Portfolio
新冠疫情迫使许多矿山、工厂及边境暂时关闭，电池、风力涡轮机和太阳能电池板中常用关键金属（如钴、锂）的流通严重受阻。
太阳能电池板、风力涡轮机和电池能量的存储和转换需要硅、钴、锂等来实现。相关金属被称为科技金属（technology metal）。获取这些科技金属对于应对气候变化至关重要。世界银行估计，要使全球能源系统在2050年脱碳，将需要大约30亿吨金属和矿物。新冠疫情之前，其供应已经非常紧张。现在，科技金属行业更是一片混乱。
新冠疫情致使数百座矿山、冶炼厂和炼油厂部分或全部关闭（见go.nature.com/3ehkn9g）。2020年的金属产量比去年降低至少三分之一，相关收益预计损失约90亿美元。
嘉能可（Glencore）在刚果民主共和国的穆坦达（Mutanda）露天铜矿场。来源： Per-Anders Pettersson/Getty
南美和非洲的煤矿受到的打击最为严重。秘鲁在2020年4月份完全停止了铁和锡的生产，目前仍在努力将生产水平恢复到以前的80%。南非的矿山，包括铂金矿，已于3月关闭，自5月份开始也仅仅以之前一半的产能在运行，这在财务上是无法长期维持的。
工业对金属的需求随着全球经济的放缓而下降，同时工厂和边境的关闭也扰乱了国际金属供应链。例如，2020年早些时候，中国中断了全球近一半电池材料的供应。武汉是汽车和电池的主要制造中心，武汉工厂从1月底一直关闭到了4月。
金属市场也因此波动。预计2020年的价格平均下跌13%，铂、铜和铝的降幅为0.5%-4.5%，锌和镍则分别下跌11%和17%。相比之下，一些稀缺材料因为要确保供应而价格飙升、竞争激烈，包括用于制造电脑芯片、手机、电池和磁铁的稀土元素（如铈、钇、镧和钕）。许多国家希望大力发展可再生能源产业，借此推动经济并减少碳排放，这也导致了对这些金属的需求飙升。
各国政府和研究人员必须共同努力，确保全球科技金属的供应。需要采取的措施包括：保证新冠疫情期间对矿业行业的支持，收紧金属进出口条例和实施可持续开采措施，提高电子废弃物中金属的回收率。
珍贵的材料
对绿色能源技术至关重要的金属超过30种。其中铝和铜的需求最大，常用于涡轮机叶片、电线和电极。钴、锂、镍和铁则是电池的关键成分。开采出来的钴超过60%被用于制造可充电电池。稀有金属，如铟和镓，被广泛应用于电子元件，如晶体管和计算机芯片。而钕和镝则被用于制造磁铁。
为了实现可再生能源目标，这些关键金属的需求正在飙升。根据《巴黎气候协定》，到2035年，风能和太阳能的全球产能需要翻一番，才能满足全球一半的能源需求（见go.nature.com/2jvjte7）。更多的能量需要被储存，这意味着对钒、镍、锂和钴的需求也将更大。到2050年，对锂和钴的需求预计将增长至2018年的五倍。另外，其他的技术进步，如5G数字通信，也进一步增加了这些资源的供应压力。
这些金属的供应由少数公司和国家掌控。收入最高的矿业公司包括：瑞士巴尔的嘉能可（Glencore）、澳大利亚墨尔本的必和必拓（BHP）、伦敦的力拓（Rio Tinto）以及巴西里约热内卢的淡水河谷（Vale）（见go.nature。 com/3ktnrme）。中国供应了约90%的稀土元素。中国和欧洲的公司掌握着刚果民主共和国（DRC）的钴生产。刚果同时也盛产铜、锡、钽、钨和黄金。澳大利亚和智利则主导着锂的生产，东南亚国家生产了最多的镍，中国还生产了最多的石墨。
依赖进口的地区很容易受到供应、价格以及政治风波的影响。生产商也不能幸免。例如，2018年，刚果民主共和国的一项政策变化引发了一场经济连锁反应，导致该国最大钴矿之一嘉能可的穆坦达（Mutanda）矿场停产。刚果民主共和国政府宣布，将把钴作为一种战略物质来对待，并将矿区使用费从2%提高到10%。价格动荡随之而至。同时因为中国对电动汽车的需求下降以及加工钴矿所需化学品的获取面临瓶颈更是加剧了价格动荡。自2019年11月以来，穆坦达矿场一直关闭，导致全球钴产量降低20%。
世界上最大的经济体纷纷意识到了风险。例如，美国能源部列出了35种关键的科技材料；其中镓主要从中国、英国、德国和乌克兰进口，稀土元素主要依赖于中国、爱沙尼亚、马来西亚和日本，另外锂从阿根廷、智利、中国和俄罗斯进口，而钴来自中国、挪威、日本、芬兰和刚果民主共和国。
同样，欧盟也有一份包含30种关键原材料的清单。其中稀土元素的短缺可能会导致无法实现《欧洲绿色协议倡议》中到2050年欧洲经济脱碳的目标。中国也一样依赖进口，从澳大利亚和智利进口锂，从南亚国家进口镍，从南非和俄罗斯进口铂族金属，以及从刚果民主共和国进口钴。
新冠疫情加剧了供需问题。武汉制造业停产以及2020年第一季度中国经济下滑20%，一开始导致铜价下跌了19.6%，镍价下跌18%，钴价下跌7%。不过，随着一些制造业的开放，它们的价格一直在缓慢回升。相比之下，镝和钕的价格在2月和3月左右上涨——因为这些金属仍然备受追捧，而锂和镧的价格在4月左右有所下跌（见“金属市场”）。
来源：上海有色网（Shanghai Metals Market）
由于全球经济放缓抑制了需求，市场动荡可能至少持续到2021年。飞机制造商（包括波音和空客）和汽车制造商（如特斯拉、大众、捷豹路虎和丰田）都缩减了产量。世界上很多地方的采矿业仍处于停滞状态，同时赞比亚、刚果民主共和国以及南非的工人均受到新冠防疫政策的影响。
三种选择
政府有三种应对方式。
首先，开发其他储量。例如，加大对巴西、越南、澳大利亚、俄罗斯、印度和格陵兰的稀土元素矿藏的开采，可以减少对中国的依赖（见 go.nature.com/385tusy）。这一过程将十分漫长——例如，欧洲要建立起中国以外的稀土供应链至少需要15年时间。此外，开采矿产资源的环境成本也很高：比如采矿产生的废物可能含有放射性元素和其他污染物，而加工过程产生的废水则会释放出氨并含有重金属。清洁生产需要考虑矿物中的所有化学物质。
其次，开发可以使用替代材料的新技术。这是势在必行的。例如，钴在地壳中的储量不够丰富，无法以低廉的价格提供全世界所需的所有电池，且其常常是在恶劣的社会和道德条件下开采的。美国汽车制造商特斯拉和中国电池公司宁德科技（CATL）等正在研发不含钴的电池。然而，许多替代品依赖于致癌的镍或储能效率较低铁（磷酸铁锂电池中的铁）。此外，固态电池和钠离子电池也较有前景。
最后，回收。用过的电池和过时的设备比矿石含有更高的金属浓度，因此从这些物品中提取可能更经济。即使不能满足不断增长的需求，回收也能增加供应。它还能缩减供应链和物流成本。技术比较发达的国家或地区，如欧盟、美国、中国、印度和日本，会产生大量的电子垃圾，可以就地再处理。然而，这还需要克服一些经济、技术和管理障碍。
在越南的一个村庄里，妇女们正将电子垃圾分类以用于回收。来源：Nguyen Huy Kham/Reuters
电子垃圾的回收率很低。全世界只有17%的电子垃圾被收集处理。欧洲是回收比例最高的地区之一（2018年约为40%，见 go.nature.com/2tkqfgr），该地区生产的金属约有一半（40%至60%）来自废金属处理回收（见 go.nature.com/3tyj22t）。欧盟委员会还想进一步提高这一比例，并设定了从2019年起将废弃电器和电子设备的回收比例提高到65%的目标。然而，几乎没有成员国具备实现这一目标的条件。
在中国，废旧锂离子电池的回收已经开始补充关键原材料的供应。中国已经明确要求电子产品制造商对其产品的回收负有法律责任，或者交税以弥补相应回收成本。
然而，仍有许多废料被直接送往垃圾填埋场，或（有时是非法的）送往尼日利亚、加纳、巴基斯坦、坦桑尼亚和泰国等国家。其中许多国家的环境、健康和安全法律都不完善。而这些废料中的金属和其他有毒物质，如阻燃剂、铅和镉，会污染土壤和地下水，并损害工人的健康。
对金属行业进行再激发
要稳定关键金属的供应，需要采取以下三个步骤。
首先，政治领导人应在疫情后的刺激方案中支持金属和矿产行业以及其回收利用。随着对绿色能源技术的需求激增，这个行业提供收入和就业机会的时机已经成熟。对矿业的税收减免将使它们得以重新开工。跨境以及国内金属供应链应得到保护，确保原材料能从矿山运输到各工厂。政府和银行还应该把投资目标放在科技金属的回收和再利用上，以减少对进口的依赖。
其次，研究人员和制造商应该为这些材料开发“循环经济”。产品需要更环保、更节能、更持久、更容易回收和修复。废弃产品的再利用、材料和金属的回收都需要与清洁生产一起融入到工业中。这需要各类研究结合冶金、化学、环境和生物技术工程的原理来实现。
第三，各国应根据联合国可持续发展目标建立一个全球联盟，支持关键金属行业和可再生能源技术的发展。这一机构将关注矿物-金属资源的可持续管理，包括法律、财政、技术和环境等方面。重点包括振兴国际供应链，促进制造业发展，转移回收技术，以及在城市垃圾回收和资源回收方面进行创新。
由欧洲创新技术研究所（EIT）管理的欧洲研究网EIT RawMaterials就是一个很好的例子。2019年，它成立了稀土行业协会（Rare Earth Industry Association），汇聚学术界和产业界以加强行业研究和政策制定。其合作者包括中国稀土行业协会，日本新金属协会和欧洲关键原材料联盟。
材料是科技行业的命脉。随着世界面临经济、环境以及社会动荡，保持供应的流动变得越来越重要。
