Аккумуляторы в современных электромобилях — это сложные системы, в которых используются металлы, названия которых мы знаем из школьных уроков химии, но с которыми в реальности мало кто сталкивался. Рассмотрим основные свойства кобальта и марганца в аккумуляторах.
Кобальтовые сплавы
Кобальт (химическая марка Co, широта Cobaltum) — это твердый металл синего цвета, ферромагнитный. Он используется в металлургии для улучшения свойств сплавов, для окраски стекла и керамики, а также имеет биологическое значение.
В нормальном состоянии кобальт устойчив к воздействию воздуха и воды. В мелкодисперсном виде кобальт, как и железо, пирофорен (самовозгорание на воздухе). Он растворяется в разбавленных кислотах, таких как соляная, серная и азотная, но очень неохотно и медленно.
При обычных температурах кобальт менее реакционноспособен, но при высоких температурах он часто соединяется со многими элементами, образуя пламя (сера, фосфор, мышьяк, сурьма, олово, цинк, кремний, бор, галогены). Однако он не соединяется с азотом или водородом.
Историческое развитие
О первом использовании соединений кобальта мы знаем из археологических находок в Египте. Они датируются 2600 годом до нашей эры и представляют собой керамические и стеклянные жемчужины кобальтово-синего цвета.
В Средние века шахтеры называли кобальтовыми руды, которые, несмотря на их металлический вид, не могли быть превращены в металл металлургическими методами.
Название кобальт основано на немецком названии кобальтовых эльфов, которые были довольно злобными и проповедовали шахтерский труд.
Присутствие кобальта ухудшало качество и извлекаемость добываемой никелевой руды, а примеси кобальта еще больше угрожали их здоровью, поскольку при обжиге выделялись опасные и токсичные газы. Позже это обозначение было ограничено рудами, которые трудно поддавались металлургической обработке и окрашивали стекло в синий цвет.
Самые крупные запасы руд с большой долей кобальта находятся в России, Китае, Австралии, Демократической Республике Конго и Замбии.
Производство
Производство кобальта основано на сплавах, получаемых путем металлургической переработки никелевых, медных и свинцовых руд, содержащих мышьяк, из которых кобальт находится в основном в виде арсенидов.
Из сплавов получаются оксиды кобальта, которые используются для производства кобальтовой краски, не обязательно в очень чистом виде. Однако сегодня в основном производится металлический кобальт.
Самой большой проблемой в производстве является удаление никеля, который составляет большую часть кобальтовой руды.
Использование
Кобальт довольно дорог из-за его относительно низкой распространенности и сложности его добычи, которая в определенные периоды достигала цены серебра в обмен на кобальт.
Поэтому он используется в основном в металлургии и только тогда, когда его нельзя заменить каким-либо более дешевым металлом, и обычно легируется только в относительно редких случаях.
Литий-ионные батареи
Большая часть кобальта используется в производстве перезаряжаемых литий-ионных батарей (Li-ion), которые в последние годы постепенно вытесняют старые типы батарей (NiMH, NiCd) во всех портативных устройствах благодаря своей высокой удельной емкости (около 250 Вт-ч/кг).
Потребление кобальта продолжит значительно увеличиваться с развитием электромобилей и необходимостью производства большого количества литий-ионных батарей, которые в настоящее время являются единственным практическим способом достижения приемлемого радиуса действия и разумного веса для электромобилей.
Например, легковой автомобиль весом 300 кг с блоком литий-ионных батарей будет иметь запас хода около 500 км.
Другие типы батарей (включая другие типы батарей на основе лития) могут достигать лишь половины удельной емкости литий-ионных батарей. Чтобы достичь такой же дальности, эти другие батареи должны быть в два раза тяжелее.
До разработки литий-ионных батарей мировое потребление кобальта составляло около 50 000 тонн к 2010 году. в 2016 году потребление кобальта составило 100 000 тонн, из которых около половины было использовано для производства литий-ионных батарей.
Для легкового автомобиля с запасом хода 500 км требуется примерно 10 кг кобальта и 7 кг лития для батареи весом 300 кг.
Недостаток предложения кобальта может ограничить будущее развитие электромобилей больше, чем запасы лития.
Марганец
Марганец (химическая марка Mn, лат. Marganese) — это светло-серый, парамагнитный, твердый металл. Он используется в металлургии в качестве добавки в различные сплавы, катализаторы и цветные пигменты.
Диоксид марганца известен с древних времен, когда его использовали в производстве стекла. Он считается разновидностью магнетита.
В средние века уже проводилось различие между магнезитом или родохрозитом (магнетитом, магнезитом, магнетитом) и ярозитом (диоксидом марганца, MnO2).
Чуть позже стеклодувы дали доломиту название «бюрель», основываясь на его способности обесцвечивать железное стеклянное мыло, и переименовали его в марганец или ляпис-лазурь-марганец.
Утверждение о том, что бурелит является железной рудой, сохранялось до середины 18-го века. В то время, однако, было окончательно признано, что руда должна содержать и другой, пока еще неизвестный металл.
Он был открыт в 1774 году шведским химиком Карлом В. Шеллем, который в том же году представил неопровержимые доказательства Стокгольмской академии наук.
В том же году был выделен марганец. Он был выделен Йоханом Готлибом Ханом путем нагревания камней коксующегося угля с древесным углем и маслом при высоких температурах.
Только в 1930-х годах марганец стали получать в чистом виде путем электролиза растворов солей марганца. Впервые марганец был назван марганцем в 1774 году.
Марганец — это элемент, который встречается в большом количестве на Земле и в космосе. В земной коре марганец составляет в среднем около 0,9-1 г/кг, что соответствует 0,1% или 1000 ppm (parts per million = миллионные доли частицы) и занимает двенадцатое место. В морской воде его концентрация составляет около 2 микрограммов на литр.
Было подсчитано, что на каждый атом марганца во Вселенной приходится примерно 5 миллионов атомов водорода. В природе марганец почти всегда встречается одновременно с железной рудой.
Используйте
Значительная часть мирового производства марганца потребляется при производстве стали, на которую приходится около 95% мирового производства марганца, а также марганцево-медных и алюминиевых сплавов.
Остальная часть потребляется в стекольной и керамической промышленности, а также в производстве химикатов. Некоторые соединения марганца использовались, а некоторые до сих пор используются в качестве красителей.
Естественные цвета марганца включают желто-коричневый, а искусственные — коричневый (основной карбонат марганца), белый (карбонат марганца), зеленый (иногда зеленый Кастл) и перманентный фиолетовый.
В сталелитейной промышленности марганец в основном используется как компонент, связывающий серу и кислород в процессе выплавки, и должен быть удален из высококачественной стали.
Поэтому он действует как десульфурирующая и раскисляющая добавка, превращая образующиеся соединения S и O в шлак и тем самым очищая расплав.
Однако определенный процент элементарного марганца остается после завершения выплавки, в некоторых случаях только в виде непрореагировавшего избытка после удаления S и O. Иногда его содержание намеренно увеличивают для достижения других механических свойств производимой стали.
Помимо марганца, стали всегда содержат в качестве основных компонентов железо, хром и, как правило, никель.
Другим чрезвычайно важным марганцевым сплавом является дюралюминий. Название относится к группе очень легких и механически прочных сплавов на основе алюминия и магния, в меньшей степени меди и марганца.
Гальванические батареи
Старейшая коммерчески доступная гальваническая батарея (элемент) состоит из цинкового катода и анода — графитового диска, помещенного в суспензию с высоким содержанием диоксида марганца.
Элемент этой электрохимической ячейки обеспечивал напряжение около 1,5 В. Когда ток потребляется, элементарный цинк окисляется до Zn+2, а четырехвалентный марганец восстанавливается до Mn+2.
Яков Кузнецов
