日本将成为资源大国？沉睡在海底的富钴结壳潜力巨大
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摘 要：日本石油天然气·金属矿物资源机构（以下简称“JOGMEC”）于2020年7月宣布，成功在日本EEZ（专属经济水域）海底完成世界首次富钴结壳的开采试验。其意义重大，意味着日本可能在10-20年后成为稀有金属生产国。本文为对挖掘试验的总负责人——JOGMEC金属海洋资源部长五十岚吉昭的采访内容。
关键字：钴、富钴结壳、稀有金属、锂离子电池、矿产资源
富钴结壳（以下简称结壳）是一种海底矿产资源，含有大量的稀有金属钴。
结壳位于水深约1000～2500米的海底山（海底像山一样隆起的地形）平顶部周围，覆盖在岩石上，厚约几毫米至十几厘米。
“百闻不如一见，先看看实物吧。”
说到这里，JOGMEC金属海洋资源部的五十岚吉昭先生拿出了一块岩石块，可以看到横截面分为棕色和黑色两层。
五十岚先生手持在海底的海底山平顶部获得的结壳碎片进行解说。这是世界上首次成功完成涵盖挖掘、扬矿、冶炼等的正式挖掘试验。
“黑色部分是结壳，棕色部分是挖掘过程中收集到的基岩。结壳薄数毫米，厚的也只有十几厘米左右，这个样品大约有5到10厘米，是标准厚度。”
一般认为结壳是由海水中的成分经过多年在岩石表面沉积形成。
其成长速度很慢，一百万年厚度仅增加1～6mm左右。也就是说，成长到现在这样需要数百至数千万年，甚至是数亿年的时间。
手指所指的黑色部分即结壳。虽然主要成分是铁、锰，但钴含量比锰团块高约3～5倍，还含有铂。
正如“富钴”这个名字所示，其特点是钴含有量高于其他矿产资源。
“结壳中所含钴的比例约为0.5～0.9%，比同样是海底资源的锰团块高出3～5倍左右。该比例看起来很小，但即使与陆上矿山中开采的矿石相比，这一比例也不低了。抛开挖掘和冶炼的技术课题和成本问题，其是一种具有巨大潜力的资源。”
结壳并非在世界各地的海洋中随处可见。
据说其广泛分布在西北太平洋区域的海底，在JOGMEC于2020年7月进行的一项试验中，位于日本EEZ内的南鸟岛南方的拓洋第5海底山平顶部被选为挖掘点。
以水深约930米的海底为目标，使用起重机从JOGMEC拥有的海洋资源调查船“白岭”上放下采矿机，并回收了重达649kg的结壳碎片。
用于结壳挖掘试验的挖掘机。尖端的刀头插入海底，削取结壳。
“挖掘机最初是为开采海底热水矿床（一种含有铜、铅、锌等的矿物，由海底喷出的热液中所含的金属成分沉淀而成）而开发的。因此，虽然履带等部件是通用的，但刮削海底的尖端刀头经过改造，用于挖掘结壳。为了在深海作业，所有的传感器和驱动部件等都是耐压设计，驱动部件采用油压驱动。”
拓洋第5海底山山顶地势平坦（平顶），面积约2220km2，与东京都整体面积相当。
挖掘机削取的结壳碎片存放在称为旋风罐的容器中，该容器将海水和沙子等轻物质分离排出后，将结壳碎片提出海面。一次的回收量为50~200kg，重复多次，最终回收了649kg的结壳碎片。
除了挖掘之外，还进行了在砂地和斜坡等不同条件下运行挖掘机的试验。本次实验是在海上气象等条件良好的时候实施的，将来要求即便是在有洋流的情况下，也能够稳定停船，在水深接近1000m的海底放下挖掘机采集并回收矿石的船只和挖掘机的高超操纵技术。
“该实验是按照国际公认的规则，在充分讨论了挖掘时飞舞的沙子和岩石碎片会扩散到什么范围内的基础上进行的。现在，在海洋资源的开发方面，即使在实验阶段，也要对环境进行周密考虑。”刀头的尖端有一个金属刷，其作用是尽可能不激起扬尘，并高效回收结壳碎片。”
海底热水矿床是含有铜、铅、锌的矿物，存在于日本EEZ内；锰团块是含有铜、镍、钴、锰等的团块，存在于深海底。
来源：海洋能源·矿产资源开发计划（2019年2月制定）
JOGMEC目前不仅在调查结壳，还同时对海底热水矿床、锰团块进行调查。
2017年，多艘船只前往海底热水矿床现场，成功地将挖掘的矿石用泵连续回收，然而结壳开采还达不到这一水平，只能采用每次拉起储罐的方法。
可以说，结壳开采刚刚迈出了全面资源开发的第一步。
钴长期以来一直被用作玻璃等的着色剂，也作为合金在工具上使用。近年来，作为锂离子二次电池的正极材料，需求大幅扩大。钴酸锂是一种钴氧化物和锂的化合物，在锂离子二次电池开发初期就出现了，现在仍然是笔记本电脑和智能手机电池的主流。
然而，钴作为矿产资源目前存在两大问题。
一是岩石中所含比例小于其他金属，成本往往较高。因此，其中的大部分是在开采镍和铜的矿山中作为副产品获得的。钴的产量依赖于这些主要产品，难以稳定供应。
另一个是非洲的刚果民主共和国占据了大部分产量，存在因冲突等政局动荡导致供应停滞的风险。目前，虽然政局趋于稳定，但挖掘时的童工问题已成为一个新问题。在此背景下，日本开始通过包括资源能源厅和JOGMEC等政府机构以及私营公司在内的全日本系统来确保钴资源。
随着锂离子电池在全球范围内的普及，钴的消费量正在增加。截至2016年，年消费总量约为11万吨，并仍在增加
来源：JOGMEC金属资源报告《钴生产技术动向》19-05-vol.49
“当前，钴被认为是有可能因政局不安等各种问题而难以稳定供应的金属之一。因此，电池制造商争先恐后地开发使用较少钴的正极材料技术，比如替代钴的正极材料，或者NMC811（镍：锰：钴=8：1：1）三元系统等。然而，即使随着锂离子二次电池的发展（不再需要大量钴），钴仍然是优秀的材料之一，未来需求将持续增加。”
正是因为有这样的背景，钴才备受关注。
翻译：李释云
审校：李 涵
贾陆叶
统稿：李淑珊
●用于实现超高电流密度SOFC发电的电极间相互作用和最佳电池结构的研究
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