随着全球能源转型，铝能否替代大量新增的铜需求?目前，不少公司及业界学者正探索如何更好地“以铝代铜”，并提出调整铝的分子结构可以提高其导电性。

铝，图片来自Getty Images

铜由于其优良的导电性、导热性和延展性，被广泛应用于各大行业，特别是集中于电力、建筑、家电、交通运输等行业。但随着世界转向绿色能源，例如电动汽车和可再生能源的发展，铜的供应来源问题逐渐凸显，市场对铜的需求正在飙升。例如，一辆电动汽车使用的铜大约是一辆传统汽车的4倍，而用于可再生能源发电厂的电气元件以及将其连接到电网的电线更需要大量的铜。

能源咨询公司伍德麦肯兹分析师估计，未来10年，海上风力发电场将需要550万吨铜，主要用于发电机内部的大型电缆系统，以及将涡轮机产生的电子输送到海岸。随着近年铜价飙升，有分析师预计铜的缺口将越来越大，高盛(Goldman Sachs)分析师更称铜是“新石油”。由于铜在实现脱碳和使用可再生能源方面至关重要，市场面临铜供应紧张，这可能会使铜价在四年内涨超60%。

印尼首都雅加达一名工人正在清点铜线

相比之下，铝作为地壳中含量最多的金属元素，其储量约是铜的一千倍，由于铝的重量比铜轻得多，开采起来也更经济和便利。近年来，一些公司已通过技术创新，利用铝替代稀土金属。从电力、空调到汽车零部件等制造商采用“以铝代铜”，节省了数亿美元。沙特电力公司曾表示，通过在中压配电网络中以铝代铜，已为公司节省24亿沙特里亚尔（约合6.4亿美元）。此外，高压电线通过采用既经济又轻便的铝线，能够实现更长距离。

不过，伍德麦肯兹铜市场首席分析师Jonathan Barnes表示，这种“以铝代铜”的情况已经放缓。在更广泛的电气应用中，铝的导电性是主要限制原因，其导电率只有铜的三分之二。

目前，美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员正努力提高铝的导电性，使其比铜更具市场竞争力。研究人员认为，如果改变金属的结构，并引入合适的添加物，确实可以影响金属的导电性。这项实验技术如果完全实现，可能会生成超导电的铝，将在输电线以外的市场领域发挥作用，为汽车、电子设备和电网等领域带来改变。

铜线（左）与铝线（右），图片来自Shutterstock.com

“如果能让铝的导电性更强，甚至达到铜的80%或90%导电性能，铝将可以替换铜，这将带来巨大的转变。因为这样的铝导电性更好、重量更轻、更便宜、储量更丰富。”PNNL材料科学家Keerti Kappagantula认为导电性是关键。如果具有和铜一样的导电性，更轻的铝线可用于设计出更轻的电机和其他电气组件，汽车因此可以行驶更长距离。“从汽车电子设备到能源生产，再到通过电网将能源传输到家中为汽车电池充电，任何依靠电力运行的东西都可以变得更高效。”

PNNL研究人员采用一种被称为固相制造的工艺，这种工艺利用在较低温度下的剪切力和摩擦力来将新的碳材料放入金属中。同时，在这一温度下铝变得更有弹性，研究人员以此控制材料的分布，并用计算机模拟新铝合金的原子结构来验证材料的分布。Kappagantula表示，重新发明具有两个世纪历史的制铝工艺是值得的。

未来，前述研究小组将采用新铝合金制造电线，以及棒材、薄板等，并通过一系列测试，确保其具有更强的导电性，并且强度和灵活性足以用于工业用途。如果通过了这些测试，团队表示将与制造商合作生产更多的铝合金。