中國在全球石墨、稀土、鈷等供應鏈中占據主導地位，出口管制成為地緣政治博弈工具。這些關鍵原料集中在少數幾個國家手上，影響供應與價格。現今中美角力下，出口管制常被用來作為處理複雜關係的手段，一旦出口限制，各國發展綠色經濟進程恐出現重大阻礙。歐洲委員會和美國能源部都一致認為，某些稀土元素短缺或供應中斷將嚴重影響產業，尤其是用於釹鐵硼磁鐵的稀土元素。
在地緣政治風險加劇的時代，關鍵礦物往往被少數具壟斷優勢礦產國家當作地緣政治武器。本文聚焦石墨、稀土、鈷等關鍵礦物的替代材料技術，探討如何降低出口管制對台灣及全球產業的供應鏈風險，並提出企業及政策因應建議。
石墨替代材料技術創新
(一)全球石墨供應風險與矽基材料突破
石墨是鋰電池負極材料核心，全球供應鏈高度依賴中國。中國掌控全球超過七成石墨產能，且多數天然石墨需送至中國精煉。隨著出口管制實施，全球電池產業供應鏈面臨嚴峻挑戰。矽基材料因能量密度高、潛力巨大，成為新一代負極材料研發重點。日本專利特開2004-71542號揭示矽氧化物作為鋰離子電池負極活性物質，獲得良好充放電循環性能。
日本專利特表2016-514898號則提出矽奈米粒子結構體，於充放電時彌補體積膨脹率的弱點。美國Sila Nanotechnologies開發奈米複合矽（Nano-Composite Silicon, NCS）材料，將矽顆粒嵌入多孔基質，保留膨脹空間，解決矽充放電時體積膨脹問題。NCS材料可直接替換石墨。
(二)核殼型複合材料與生物石墨
美國專利US20130344391A1提出核殼型複合材料設計，將活性材料（如矽）包覆於可收縮核與外殼中，吸收體積變化，提升電池壽命與穩定性。多孔核心與保護碳層設計，兼具導電性與結構完整性，適合大規模製造。美國專利US8932764B2則利用多孔硫奈米粒子核殼結構，進一步提升負極性能。傳統人造石墨生產碳排高，紐西蘭CarbonScape公司開發「生物石墨」，以林業廢棄木片經熱催化石墨化製程，生產低碳、永續的人造石墨。預估2030年全球石墨短缺將達77.7萬噸，生物石墨有望滿足近半需求，並減少對中國依賴。
無鈷正極材料與無稀土永磁材料技術發展
(一)錳酸鋰與無鈷材料技術
鈷酸鋰（LiCoO2）因成本高、資源有限，推動無鈷或低鈷正極材料研發。錳酸鋰（LMO）具高能量密度、良好循環壽命與低成本，成為無鈷正極代表。中國專利CN101964428B公開高性能層狀錳酸鋰製備方法，提升能量密度與高溫性能。美國新創Sparkz Inc.專注於無鈷電池材料，降低成本並強化本土供應鏈。鋰錳氧化物（LiMnO2）具高容量、低成本優勢。中國專利CN117613221A與CN114223068A開發富鋰錳氧化物材料，提升電池穩定性與循環壽命。日本橫濱國立大學等團隊以奈米結構LiMnO2實現高能量密度（800W h/kg）及10分鐘快速充電，具商業化潛力。
LNMO為無鈷高電壓正極材料，具4.7V高電位與高能量密度。日本東芝開發表面改質技術，減少金屬溶出與氣體產生，提升壽命與安全性，預計2028年應用於電動工具與車載市場。磷酸鐵鋰（LFP）安全、低成本、壽命長，全球95%產量來自中國。中國專利CN116443840B等優化製備工藝，提高材料壓實密度與性能。美國Sparkz Inc.、Wildcat Discovery Technologies等公司推動本土LFP及進階鋰錳鐵磷酸鹽材料，強化供應鏈韌性。美國麻省理工開發有機材料正極，以TAQ（雙四氨基苯醌）為基底，無鎳鈷，成本低、導電佳，且壽命長。藍寶堅尼取得授權，預計應用於新款電動車。此類材料有望降低關鍵金屬依賴，提升電池永續性。
(二)無稀土永磁材料技術路徑
中國專利CN103964828B主張一種高性能永磁鐵氧體材料，其特徵是該高性能永久鐵氧體材料係由鍶、鋇、鐵和鉻或鋁組成，且具有六方晶系。所要保護的高性能永磁鐵氧體材料的化學式為Sr1-xBix·nFe(12-γ)/ nRγ/nO3，其中0≤x≤0.998，5.75≤n≤6.15，0<y≤0.6，R為Cr或Cr與Al，當R為Cr與Al時，Cr與Al的總量≤0.6。
中國專利CN104593625A主張一種無稀土MnAl永磁合金的製備方法，其特徵是將熔融金屬澆鑄到模具中得到合金錠，然後進入真空加熱爐而獲得淬火合金錠。專利所要保護的MnAl永磁合金的分子式係以Mn60-xAl40+x表示，其中X=0至10。
中國專利CN102610346B主張一種新型無稀土奈米複合永磁材料，其特徵是該不含稀土的奈米複合永磁材料，係以分子式Mn1.08(AlxBi1-x)/α-Fe表示其組成，其中Mn1.08(AlxBi1-x)為永磁相，α-Fe是軟磁相，x為0.2-0.8。中國專利CN107622852A主張一種透過引入微應變製備錳鎵高矯頑永磁粉末的製造方法，其特徵係透過引入微應變製備永磁粉末涉及使用純度大於99wt.%的錳鎵錠（MnxGa），其中1.0≤x≤3.0。
新創驅動儲能市場升級與產業合作
電極材料新創Sila Nanotechnologies開發了一系列高能量密度的鋰電池負極材料，專注於利用矽基材料作為鋰電池負極的主要成分，已經取得了多項創新與技術突破，這對於電動汽車和其他應用來說至關重要，吸引眾多投資者的關注，並與許多主要汽車製造商和電池製造商合作，共同推進鋰電池技術的發展，這些技術突破有望推動電動汽車和可再生能源存儲等領域的發展。
特斯拉、福特、通用汽車、賓士、BMW、奧迪等電動汽車製造商，以及Panasonic、LG化學、CATL、Samsung SDI等全球領先的電池製造商，都已與Sila Nanotechnologies合作，利用Sila的先進技術來改進產品性能和成本效益，共同推進鋰電池技術的發展，尋求提高電池性能以增加電動汽車的續航里程、充電速度和耐久性。Panasonic Energy日前也宣布，已與美國電池材料新創Sila Nanotechnologies簽訂採購合約，將從Sila購買一種名為Titan Silicon™的下一代矽材料，比一般的石墨負極材料，能讓電池的容量更大，電池的能量密度更高，且在充電時更不容易膨脹。
此Titan Silicon™係以矽奈米複合材料作為鋰離子電池的陽極，其實就是前揭的奈米複合矽(Nano-Composite Silicon, NCS)材料技術，該技術使得Sila Nanotechnologies能夠開發出性能更好、穩定性更高的矽基鋰電池材料，從而推動鋰電池技術的發展，應用於電動汽車、便攜式電子設備等領域。
除了Sila Nanotechnologies之外，美國另一家新創公司Group14 Technologies近日也宣布推出以矽基材料取代傳統石墨製造的新式電動車電池，Group14 Technologies是採用一種矽碳複合負極材料取代電池中常見的石墨基負極，可以將能量密度提高多達50%以增強電池性能，與透過使用越來越大以及越來越重的電池來解決電動車的里程焦慮問題相比，這是一個巨大的進步。這使得電池可以多儲存50%的能量，並且充電時間僅需10分鐘。任何供應鋰離子電池的公司都可以使用該技術及Group14所生產電動車電池材料，包括消費性電子產品。
該公司正在與全球100多家客戶合作，據稱這些客戶佔全球鋰離子電池產量的95%。它已從保時捷公司和微軟氣候創新基金等客戶和投資者籌集了超過6.5億美元。2023年，Group14透過收購歐洲關鍵前驅材料生產商Schmid Silicon來增強其製造能力。它還開始在華盛頓州摩西湖建設一家工廠，該工廠將為20萬輛電動車的電池提供足夠的材料，並得到能源部價值1億美元的合約的支持。
據悉Group14 Technologies正與南韓SK集團建立一家合資工廠將於2024年開張投入商業化生產。這些國際合作與市場上的競合關係，告訴我們一件事：「這種採用地殼中僅次於氧的第二豐富元素『矽』取代一種預計在未來幾年會嚴重短缺的材料『石墨』，可以緩解供應鏈瓶頸並降低成本」。
應對地緣政治風險提升產業韌性策略
應對地緣政治風險，台灣應從三個面向著手：技術創新方面，加強對替代材料技術的研發投入，推動相關技術的商業化應用；政策支持方面，制定相關政策支持替代材料技術研發，並提供資金和稅收優惠；多元化供應鏈方面，鼓勵國內企業尋找多元化的原材料供應來源，減少對單一國家的依賴，並建立完善的風險管理機制。
面對國際關鍵礦物資源出口管制，除了創造多元化供應來源以及強化國際合作外，開發替代關鍵礦物的新材料和新技術，是減少對特定國家依賴度的根本解決方案，更是提升產業韌性的基石。
(本文論述僅為作者見解，不代表其任職單位之立場)
