Знаете ли вы какие металлические материалы используются в аккумуляторах электромобилей?

Современные аккумуляторы для электромобилей представляют собой сложные системы, в которых используются металлы, названия которых мы знаем еще со школьных уроков химии, но в реальности с ними мало кто сталкивался. Напомним основные характеристики кобальта и марганца, которые содержатся в аккумуляторах.

Кобальт

Кобальт (химическая марка Со, лат. Cobaltum) — голубоватый, ферромагнитный, твердый металл. Он используется в металлургии для улучшения свойств сплавов, при окраске стекла и керамики, а также имеет важное биологическое значение.

В своем обычном состоянии кобальт устойчив к воздуху и воде. В мелкодисперсном состоянии кобальт, как и железо, пирофорен (самовоспламеняется на воздухе). Он растворяется в разбавленных кислотах, таких как соляная, серная и азотная кислоты, но очень неохотно и медленно.

При нормальных температурах кобальт менее реакционноспособен, но при более 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 и водородом.

Историческое развитие

О первом применении соединений кобальта мы узнаем из египетских археологических находок. Они датируются 2600 г. до н.э. и представляют собой керамические и стеклянные жемчужины, окрашенные синим кобальтом.

В Средние века горняки называли кобальтовыми рудами, которые, несмотря на их металлический вид, не могли быть металлургически переработаны в металл.

Название кобальт основано на немецком названии эльфов-коболдов, которые были довольно злобными и проповедовали шахтерский труд.

Наличие кобальта ухудшало качество и перерабатываемость добываемых никелевых руд, а примеси кобальта еще больше угрожали их здоровью, так как при их обжиге выделялись опасные ядовитые газы. Позже это обозначение было ограничено рудами, которые трудно поддавались металлургической обработке и окрашивали стекло в синий цвет.

Крупнейшие запасы руды со значительной долей кобальта находятся в России, Китае, Австралии, Демократической Республике Конго и Замбии.

Производство

Основу производства кобальта составляют сплавы, которые получают при металлургической переработке никелевых, медных и свинцовых руд, содержащих мышьяк, где кобальт присутствует преимущественно в виде арсенида.

Сплавы производили оксиды кобальта, которые использовались в производстве кобальтовых красок и не обязательно должны были быть в очень чистом состоянии. Однако сегодня в основном производится металлический кобальт.

Самая большая проблема в производстве заключается в удалении никеля, который составляет значительную часть кобальтовых руд.

Использование

Цена кобальта довольно высока из-за его относительно низкой распространенности и сложности добычи, а в некоторые периоды биржевая цена кобальта достигает стоимости серебра.

Поэтому в металлургии он в основном применяется только в тех случаях, когда его нельзя заменить каким-либо более дешевым металлом и его обычно сплавляют в сплавы только в относительно небольших количествах.

Литий-ионный аккумулятор

Большая часть кобальта используется для изготовления литий-ионных аккумуляторов (Li-ion) , которые благодаря своей высокой удельной емкости, примерно 250 Вт-ч/кг, в последние годы постепенно практически вытеснили из всех портативных устройств старые типы аккумуляторов (NiMH, NiCd).

Потребление кобальта продолжит значительно расти вместе с развитием электрической мобильности и необходимостью производить в больших количествах литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время являются единственным практическим способом достижения приемлемого запаса хода и рационального веса электромобилей.

Например, легковой автомобиль массой 300 кг с литий-ионной аккумуляторной батареей имеет дальность около 500 км.

Другие типы батарей (включая другие типы батарей на основе лития) в лучшем случае достигают половины удельной емкости литий-ионных батарей. Для той же дальности вес этих других батарей должен быть удвоен.

Мировое потребление кобальта к 2010 году до разработки литий-ионных аккумуляторов составляло примерно 50 000 тонн. В 2016 году потребление кобальта составило 100 000 тонн, из них около половины на производство литий-ионных аккумуляторов.

Легковой машине с запасом хода 500 км требуется примерно 10 кг кобальта и 7 кг лития для 300-килограммовой батареи.

Недостаточные запасы кобальта могут ограничить развитие электромобилей в будущем больше, чем запасы лития.

Марганец

Марганец (химическая марка Mn, лат. Marganese) — светло-серый, парамагнитный, твердый металл. Используется в металлургии в качестве добавки к различным сплавам, катализаторам и цветным пигментам.

Двуокись марганца известна с древних времен, когда ее применяли в производстве стекла. Считался разновидностью магнетита.

В Средние века уже различали магнезии или магнезиус ляпис (магнетит, магнитный камень, магнитный железняк) и пиролюзит (диоксид марганца, MnO2).

Немного позже стеклодувы дали пиролюзиту название «бурель» в соответствии с его способностью обесцвечивать мыло из железного стекла и изменили его название на марганцевый или ляпис-марганцевый.

Представление о том, что пиролюзит — это железная руда, сохранялось до середины 18 века. В это время, однако, окончательно сошлись во мнении, что эта руда должна содержать и другой, пока неизвестный металл.

Он был открыт в 1774 году шведским химиком Карлом В. Шеелем, который в этом году представил Стокгольмской академии наук неопровержимые доказательства.

В том же году был выделен марганец. Он был выделен Йоханом Готлибом Ганом при нагревании пиролюзита с древесным углем и маслом при высоких температурах.

Марганец в чистом виде не производился до 1930-х годов путем электролиза растворов солей марганца. Марганец получил первое название марганец в 1774 году.

Марганец — элемент с относительно большим присутствием на Земле и в космосе. В земной коре среднее содержание марганца составляет около 0,9–1 г/кг, что соответствует 0,1% или 1000 ppm (частей на миллион = частей на 1 миллион частиц) и занимает двенадцатое место. В морской воде его концентрация составляет около 2 мкг на литр.

Подсчитано, что на один атом марганца во Вселенной приходится около 5 миллионов атомов водорода. В природе марганец почти всегда встречается одновременно с железными рудами.

Использование

Существенная часть мирового производства марганца расходуется на производство стали – это около 95% мирового производства марганца, а также марганцевых бронз и алюминиевых сплавов.

Остальное потребляется в стекольной и керамической промышленности и в производстве химикатов. Некоторые соединения марганца использовались, а некоторые до сих пор используются в качестве красителей.

Естественные цвета марганца включают умбру, а искусственные — марганцево-коричневый (щелочной карбонат марганца), марганцево-белый (карбонат марганца), марганцево-зеленый (иногда также кассельский зеленый) и перманентно-фиолетовый.

В сталелитейной промышленности марганец в первую очередь служит компонентом, связывающим серу и кислород при плавке, которые необходимо удалять из высококачественной стали.

Таким образом, он служит добавкой для десульфурации и раскисления, которая превращает образовавшиеся соединения S и O в шлак и, таким образом, очищает расплав.

Однако после завершения плавки некоторые процент элементарного марганца остается, в некоторых случаях только в виде непрореагировавшего избытка после удаления S и O, иногда содержание преднамеренно выше, чтобы достичь других механических свойств получаемой стали.

В дополнение к марганцу стали всегда содержат железо, хром и, как правило, никель в качестве основных компонентов.

Еще одним чрезвычайно важным марганцевым сплавом является дюралюминий. Это название относится к группе очень легких и механически стойких сплавов на основе алюминия и магния с меньшим содержанием меди и марганца.

Гальванические элементы

Самый старый серийно выпускаемый электрический гальванический элемент (батарея) состоял из цинкового катода и анода, который представлял собой графитовый диск, помещенный в пасту с высоким содержанием диоксида марганца MnO2.

Ячейка этого гальванического элемента обеспечивала напряжение примерно 1,5 В. При потреблении тока элементарный цинк окисляется до Zn+2, а четырехвалентный марганец восстанавливается до Mn+2.

Смотрите также:

Какие аккумуляторы используются в современных электромобилях

Как устроены и работают электромобили Tesla