西湖大学12位博士生答搜狐科技：谈马斯克火箭电气化、锂元素提纯和碳化硅构想

【编者按】

在和西湖大学材料科学讲席教授黄嘉兴沟通采访时，他觉得我们的话题很有意思，想考考学生们，让他们给出科学的解答。

(资料图片)

随后，他和同事师恩政老师一起把这些问题变成了一个临时的作业，请材料科学与工程专题课上的一年级博士生们进行讨论。没想到，大家讨论的非常热烈，“也产生了不错的答案。”

这是科技媒体与研究机构在互动中，进行的一次新颖且非常有话题性的尝试。黄教授再三强调，他希望能够体现出参与讨论的每位学生的名字。

他觉得，这个故事甚至可以有一个新的角度——从年轻学生们的视角来看问题，这更有助于科学精神的传播。因为，通过这些同学们的努力，既让他们自己也让别人看到，认真的调研和琢磨，是能深刻解读很多看似很炫的事情的。

“我很欣慰我们的学生愿意花时间精力，利用自己的专业训练，替社会大众解惑，解读热点背后的科学问题，这也是他们回馈社会的一个体现。”

此课题参与讨论的学生为西湖大学工学院材料方向一年级博士生，他们分别是：赵英杰，奚也珣，张思捷，孙一明，李静一，徐盛楠，王重朴，韩彦馨，马志平，刘刊，华紫怡。

参与课题指导的老师有：黄嘉兴教授、师恩政助理教授，郭凡博士，以及班大赛助教。

（西湖大学材料科学与工程专题课学生讨论现场）

出品｜搜狐科技

作者｜潘琭玙

编辑 | 杨锦

3月2日，特斯拉CEO埃隆·马斯克在特斯拉投资者日上揭幕“宏图计划第三篇章”，从全面淘汰油车到火箭电气化，外界戏称“马斯克的饼越画越大”。

马斯克的能源畅想以实现地球资源100%可持续为目标，接近四个小时的演讲中，他提出了五大路径，包括全面转向电动车；在家用、商用和工业领域使用热泵；在工业领域使用高温储能及绿色氢能；在飞机和船舶上应用可持续能源；用可再生能源驱动现有电网，希望以10万亿美元的投资目标、支持超80亿人生存的可持续能源之路。

但在看似空心的蓝图背后，马斯克的能源构想能否实际拯救日渐发烫的地球？对此，搜狐科技邀请了西湖大学黄嘉兴教授与西湖大学材料科学与工程专题课的学生们，从专业角度解读马斯克的能源畅想。

一方面，他们认可马斯克部分观点的合理性。针对马斯克指出的“新能源电池生产过程中的关键限制来自于提纯锂元素的产能”，西湖大学材料科学与工程专题课同学认为，该观点可以理解，基本的锂元素提取环节包括锂元素的开采、富集和精炼。目前锂矿的精炼造成了严重的生态破坏。另外，对锂元素提纯精炼环节的研究投入亦有助于降低最终的造价。

另外，西湖大学材料科学与工程专题课的同学们指出，马斯克所称特斯拉下一代平台将减少75%的碳化硅“很可能是基于目前有效产能和良率，对制造成本与整车性能的综合考虑。”但他们认为，从长远角度来看，因碳化硅在高温、高压、高频方面的天然优势，碳化硅基功率模块代替硅基率模块将是产业升级的必然。

另一方面，马斯克看似异想天开的“登陆火星的火箭生产燃料的终极计划”，西湖大学材料科学专题课同学们不以为奇，目前火箭发射成本高企，“若火箭发射需要 30 吨燃料，预计要耗资约 80 亿美元”，因此，在火星制造燃料会是降低成本的最好选择。

对于马斯克的“合成火箭燃料的终极计划”，他们认为，“该思路是可行的。”但其中或遭遇的技术难点是找到合适的催化剂和建立能源供给基地。马斯克也承认，目前实现这些目标还有一定的距离。从成本到资源，仍需持续且大量的投入。

基于清洁能源的使用这一人类生产生活终极目标，火箭电气化有实现的可能性，但他们也表示，目前仍处于关注原理可行性的早期阶段，科学家也有推出以电和磁为基础的推进器及太阳能电力推进器等，正在持续探索火箭的电气化。

宏图计划3中理性与疯狂并存，而在本场“地球的投资者日”上，所有的能源畅想都与每一个个体命运相连。西湖大学的同学们也认为，马斯克的“大饼”并非全是空想，“他提出的这些问题是值得深思的。”

以下为对话实录：

马斯克在投资者日上，重申了他之前关于锂的立场，“新能源电池生产过程中的关键限制来自于提纯锂元素的产能，而不是发现锂矿资源。”

搜狐科技：目前的技术水平下，提纯锂元素的能耗大概是多少？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：目前锂资源供给主要有两种来源：锂资源的提炼加工和退役锂电池的回收。现阶段锂资源的提炼加工主要以盐湖提锂及锂矿石提锂的方式进行。其中，电化学脱嵌法作为国际国内盐湖提锂的新技术具有能耗较低的优点，经计算反应能耗约为253~362度电/吨碳酸锂。然而，实际能耗受到多种因素的影响，例如原料含量、设备使用情况等。

搜狐科技：提纯锂元素的具体操作是什么样的？会有哪些环节？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：自然界中的锂元素一般自于矿石或者盐湖水，一般将通过电化学手段将提取出来的富锂成分转化为电池级碳酸锂或氢氧化锂。此外，亦可通过吸附薄膜法，直接从富锂含盐水源中提取。近年来这种方法在我国应用越来越广泛。所以，基本的锂元素提取环节可以总结为锂元素的开采、富集和精炼。

搜狐科技：目前新能源电池生产过程中的关键限制是这个吗？还有其他哪些限制？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：马斯克认为锂元素的提取是锂电池生产环节中最大的限制因素是可以理解的。锂元素的提取涉及上游产业的开采、精炼也涉及下游产业对于锂电池材料的回收。从材料科学的常识来看，工业材料的造价既取决于原材料的价格，更取决于对原材料的精炼加工。对于电池用的锂元素来说，与原材料的价格相比，锂元素的提纯精炼是更大的制约。所以在这方面加大研究和投入，将有助于降低最终的造价。此外，目前锂矿的精炼造成了严重的生态破坏，因此更加清洁、可持续的锂矿精炼技术亟待开发，这方面有待加大研究和投入。

在只考虑“完全可持续和清洁能源”的愿景与技术性要求下，锂元素的提取的确是锂电池生产过程中的关键限制，它所带来的生态破坏和人道主义影响不容忽视。现实中对于锂电池生产过程而言，当然还存在其他限制，比如说生产制造的自动化水平，以及技术瓶颈的突破（电池能量密度的提升与安全性和稳定性的平衡、电池系统管理、电池材料回收的可靠性）等。

搜狐科技：新能源电池的生产过程有哪些环节能够被优化？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：电池生产厂商更适合回答这个问题，一般来说，人们普遍追求更加清洁、低能耗、自动化和安全的生产过程。

（以上答者：赵英杰，奚也珣，张思捷，孙一明）

搜狐科技：特斯拉的下一代平台将减少75%的碳化硅，这是第三代半导体中的代表材料，碳化硅这一材料在造车过程中主要被用在哪些方面？其效率如何？是否有可替代的清洁材料？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：碳化硅材料作为第三代半导体材料，在新能源汽车领域主要的应用方向有两个，包括动力控制单元和充电单元。相比于当前主流的硅基功率器件，碳化硅基功率器件能够让升压转换器将动力电池的输出电压升压到更高，同时也能让逆变器将直流电转变为交流电的频率变得更高。因此，碳化硅在动力控制单元上的应用，可以让新能源汽车续航更长，性能更强。而在充电单元的应用上，由于可以承受更高的充电电压，使得充电时间进一步缩短。

马斯克在宏图计划中说到特斯拉计划在不影响汽车性能和效率的情况下，减少75%的碳化硅使用量。现有的科技水平是有望实现的，一种可能的方案是利用硅基与碳化硅基相结合的方案来代替纯碳化硅基方案。由于碳化硅的良率和有效产能问题，如果硅基与碳化硅基相结合方案能解决工程上如封装烧结工艺的问题，它可以在牺牲一部分性能的前提下，为特斯拉系列汽车带来极致的成本优势。然而从长远角度来看，由于碳化硅相较于硅基在高温、高压、高频方面的天然优势，碳化硅基功率模块代替硅基率模块将是产业升级的必然。综合来看，马斯克所说的减少75%碳化硅的使用量，很可能是基于目前有效产能和良率，对制造成本与整车性能的综合考虑。

搜狐科技：特斯拉也提到其下一代永磁电机将完全不使用稀土材料。请简单解释一下稀土材料的用途、成本和在造车环节的利用率？是否会有可替代的材料？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：稀土是指在化学元素周期表中镧系元素外加钪和钇的一共17种元素的总称，稀土材料在汽车领域有十分广泛和重要的应用，使用量非常大，用于稀土永磁电动机，大幅提高电机转速；作为稀土动力电池的电极原材料，保障电池的稳定性、性能和寿命；也是尾气三元催化器中的关键成分；此外，在齿轮、轮胎、玻璃、车身钢材等都有着广泛应用。

然而，稀土生产过程中的环境污染问题比较严重，会产生放射性污染、重金属和氟污染、氨氮和硫酸根污染，每年会产生几千万吨的废水。

为了降低对稀土元素的依赖，目前很多实验室正在进行不含稀土元素的永磁材料的研究，比如制备铁-镍或者铁-钴原子周期性交替排列的晶体；或将钴纳米棒在外部磁场下排列然后冷压成型，磁性能可以接近含稀土磁体，此外，也有研究人员把研究重心放在铁基纳米颗粒上。虽然这些非稀土永磁材料的性能还有待提高，但是可以让子弹飞一会儿，相信未来会出现突破性的研究成果。

（以上答者：李静一 徐盛楠 王重朴 韩彦馨）

马斯克提出了“登陆火星的火箭生产燃料的终极计划”，方法是利用火星大气层的组成部分，将其转化为甲烷，从而为星际飞船的猛禽发动机提供动力，最终实现火箭电气化。

搜狐科技：让火箭实现电气化的需求是有必要的吗？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：电气化应该指的是火箭燃料生产的电气化。

火箭的运输成本及技术难点限制了其可携带燃料的容量，难以支持火箭离开其他星球进行下一步太空探索。火星上目前未发现可以直接使用的燃料；如果这些原料直接从地球运输至火星，暂且不谈技术难点，该方法必将产生天价运输成本。例如，如果火箭发射需要 30 吨燃料，预计要耗资约 80 亿美元。因此，为了降低这一成本，直接在火星制造燃料便是最好的选择。传统火箭燃料是化石燃料，从能源利用及环境保护的角度出发，清洁能源的使用将是人类生产生活的终极目标。火星大气及地表下存在丰富的二氧化碳和水，正好可作为原料合成甲烷这种清洁高效的燃料。因此从科学原理上看，未来火箭电气化也不是不可能的。

搜狐科技：该想法基于何种技术原理，是否可以实现？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：正如马斯克在特斯拉投资者日上再一次提到的“合成火箭燃料的终极计划”，方法是通过合适的反应条件将火星上的CO2和H2O转化为CH4和O2，从而为星际飞船返回地球或进行下一步太空探索提供能源动力。从技术上来讲，该思路是可行的。我们可以想象其中的技术难点可能在于找到合适的催化剂和建立能源供给基地。好在科学家从未停止对这些技术难点的探索，目前在实验室已通过化学和生物方法证实了CO2转化为CH4的可行性，例如已有CO2àCH4电化学转化的报道。在生物方法方面，科学家们已经改造了很多微生物，使其能直接或间接产生甲烷；另外在化学方面，可以在火星建立太阳能或其他可再生能源发电站，用于驱动电催化反应。

（马斯克在社交媒体提及将CO2转化为CH4的可能性）

搜狐科技：在实际的操作实施上，将会涉及哪些环节？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：需要涉及包括火星上可再生能源基站的建立，太阳能等可再生能源的转化及存储，燃料的储存以及输运等，这些环节都需要高效、稳定和可靠的技术和设备支持。

搜狐科技：在实际实现的过程中会有哪些壁垒和障碍？

西湖大学材料科学与工程专题课学生：我们认为现在考虑技术壁垒和障碍为时尚早，应更多关注原理上的可行性。

搜狐科技：关于火箭电气化，是否存在其他更实际的解决方案?

西湖大学材料科学与工程专题课学生：上述仍是化学推进系统，即常规的燃烧化学燃料为火箭推进提供动力。目前人类所有的火箭发动机，都是基于作用力与反作用力的基本物理规律获取动力。为实现火箭的电气化，科学家推出了以电和磁为基础的推进器如离子推进器，霍尔推进器及太阳能电力推进器等。

（高功率霍尔推进器的地面测试）

火箭推进系统最重要的三个参数是推力（Thrust），质量密度（Mass efficiency）和能量密度（Energy density）。化学推进系统通常可以提供很大的推力，但燃料的质量效率与能量密度都不及电推进系统，然而电推力通常远小于化学推进系统。因此，将电力推进系统与太阳能或核动力推进系统结合起来，应该更具可行性。

即使不考虑星际旅行，马斯克提出的这些问题也是值得深思的。

（以上答者：马志平、刘刊、华紫怡、班大赛）

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