Сырьевые материалы для батарей
Батареи используют разнообразные элементы, добываемые из земной коры. Интересно, что большинство этих материалов также являются общими для растений и живых существ. Мы созданы из звездной пыли, и все, что растет и движется, происходит из этих ресурсов. Как и для всех живых организмов, вещества для батарей тщательно подбираются и выбираются в правильном количестве для достижения гармоничного взаимодействия. Слишком большое количество одной части может нарушить тонкий баланс.
Алюминий (Al)
Серебристо-белый, мягкий, немагнитный металл с символом Al. Происходит из бокситов, это третий по распространенности элемент в земной коре после кислорода и кремния.
Детали
Под воздействием воздуха алюминий образует пассивирующий слой, который защищает металл от коррозии. Алюминий используется в качестве катодного материала в некоторых литий-ионных аккумуляторах.
Сурьма (Sb)
Сурьма — это хрупкий блестящий белый металлический элемент с символом Sb. Она была открыта в 3000 году до нашей эры и ошибочно принята за свинец.
Детали
Основным производителем является Китай, и этот металл используется в свинцово-кислотных аккумуляторах для укрепления свинцовых пластин, уменьшения затрат на обслуживание и повышения производительности. Другие применения — это огнестойкие материалы, производство изделий с низким трением, улучшение характеристик материалов путем смешивания Sb с другими сплавами и создание полупроводников.
Кадмий (Cd)
Мягкий голубовато-белый металл с символом Cd. Открытый в 1817 году в Германии, кадмий является побочным продуктом производства цинка и использовался как пигмент и покрытие стали для защиты от коррозии.
Детали
Кадмий используется в качестве анодного материала для никель-кадмиевых аккумуляторов, но Директивы об ограничении опасных веществ запретили коммерческое использование этих аккумуляторов.
Кальций (Ca)
Мягкий серый щелочноземельный металл с символом Ca, который был открыт Гемфри Дэви (1778–1829). Он является пятым по массе самым распространенным элементом в земной коре и играет важную роль для живых организмов в строении костей, зубов и панцирей.
Детали
Кальций улучшает механическую прочность свинцовых пластин в свинцово-кислотных аккумуляторах и повышает их производительность.
Хлорид (Cl⁻)
Хлорид — это отрицательно заряженный ион, который образуется, когда хлор присоединяет электрон или когда хлористый водород растворяется в воде или других растворителях.
Детали
Соли хлорида, такие как хлорид натрия, используются как поваренная соль и для консервирования пищевых продуктов. Хлорид также присутствует в жидкостях организма, а также в электролите аккумуляторов.
Железо (Fe)
Железо является самым распространенным элементом на Земле по массе. Символ Fe происходит от латинского «ferrum». Металлическое железо используется с древних времен, хотя медные сплавы с более низкими температурами плавления появились раньше железа.
Детали
Чистое железо относительно мягкое, и его можно закалить углеродом. Соединения железа играют важную роль в биологии, а также используются в литий-железо-фосфат-оксидных аккумуляторах.
Свинец (Pb)
Свинец — это мягкий, ковкий тяжелый металл в углеродной группе с символом Pb. Он используется в свинцово-кислотных аккумуляторах, пулях и грузилах, а также как радиационный экран. Свинец имеет самый высокий атомный номер среди всех стабильных элементов и является токсичным при попадании внутрь.
Детали
Он повреждает нервную систему и вызывает расстройства мозга. Отравление свинцом было задокументировано еще в Древнем Риме, Греции и Китае.
Марганец (Mn)
Марганец, символ которого обозначается как Mn, добывается путем добычи железа и других минералов. Этот металл является относительно распространенным и добывается по всему миру, кроме Северной Америки. Производство стали использует примерно 90 процентов марганца; остальные 10% используются в специальной химии и сельском хозяйстве.
Детали
Высококачественный марганец высокой чистоты пользуется растущим спросом на литий-ионные аккумуляторы. Марганец назван в честь региона «Магнезия» в Греции, где был найден этот черный минерал. Марганец используется для предотвращения коррозии стали и служит катодным материалом в литий-ионных, цинково-углеродных и щелочных аккумуляторах.
Никель (Ni)
Никель с символом Ni — это серебристо-белый блестящий металл с легким золотистым оттенком. Его происхождение датируется 3500 годом до нашей эры. Никель в основном содержится в крупных никель-железных метеоритах; на Земле он встречается в сочетании с железом.
Детали
Мифология связывает название никель со Старым Ником, озорным гномом, который утверждал, что медно-никелевые руды не поддаются переработке в медь. Никель хорошо подходит для аккумуляторных электродов.
Серебро (Ag)
Серебро (Ag) – это мягкий, белый, блестящий металл, который имеет самую высокую электро- и теплопроводность среди всех металлов. Оно встречается в природе, но большая его часть производится как побочный продукт рафинирования меди, золота, свинца и цинка. Серебро использовалось для денежных монет вместе с более ценным золотом.
Детали
В промышленности серебро используется в солнечных панелях и фильтрации воды, а также в ювелирных изделиях и драгоценных серебряных изделиях. Другие способы использования – это электрические контакты и проводники, зеркала, оконные покрытия, фотопленка и рентгеновские лучи. В медицине соединения серебра служат дезинфицирующими средствами, которые добавляют в бинты и повязки для ран. Серебро также содержится в серебряно-цинковых батареях.
Натрий (Na)
Натрий, символ Na, — это мягкий, серебристо-белый, высокореактивный металл, принадлежащий к шести элементам периодической таблицы, с одним электроном на внешней оболочке. Отдавая электрон, атом становится положительно заряженным. Натрий является шестым по распространенности элементом в земной коре, но происходит из минералов.
Детали
Впервые его выделил Гемфри Дэви в 1807 году путем электролиза гидроксида натрия. Соединения натрия используются для изготовления мыла и как антиобледенитель, а также, нельзя забывать, как пищевую соль на наших обеденных столах. Он является важным элементом для живых существ и растений; его также используют в натрий-серных и литий-серных батареях.
Шпинель
Шпинель — это твердый стекловидный минерал, состоящий из оксида магния и алюминия, который образует трехмерную химическую структуру. Шпинели были известны как рубины, а сейчас являются одними из самых известных драгоценных камней в оттенках красного, синего, зеленого, желтого, коричневого и черного цветов.
Детали
Литий-ионные аккумуляторы на основе марганца состоят из структуры шпинели, в которой катод образует трехмерный каркас, появляющийся после начального формирования. Шпинельные аккумуляторы известны своим низким сопротивлением.
Сера (S)
Сера (или Sulphur) — ярко-желтый неметаллический химический элемент с символом S. Он встречается в природе и ценится коллекционерами минералов благодаря своим выразительным цветам и формам. Сера была известна в Древней Индии, Греции, Китае и Египте, в Библии ее называют «brimstone», что означает горящий камень.
Детали
Сера имеет запах тухлых яиц, пары от горения серы использовались для фумигации и как целебное средство. Из серы изготавливали лучший порох, а также ее используют в спичках, инсектицидах и фунгицидах. Наибольшим промышленным применением является удобрение, поскольку она является важным элементом для всей жизни. В прошлом почти вся сера, добытая из соляных куполов, сейчас является побочным продуктом производства газа и нефти. Соединения серы также используются в натриево-серных батареях.
Тантал (Ta)
Название происходит от Тантала, злодея из греческой мифологии. Тантал (Ta) — это редкий, твердый, сине-серый, блестящий переходный металл, который имеет высокую устойчивость к коррозии и широко используется для электронных компонентов, таких как конденсаторы и мощные резисторы. Диэлектрический слой конденсатора очень тонкий и достигает высокой емкости в небольшом объеме.
Детали
Африка является крупным поставщиком тантала, но это может измениться, поскольку тантал является побочным продуктом добычи лития, которая растет в Австралии. Потребность в танталовых конденсаторах растет в требовательных условиях, таких как высокие температуры. Интернет вещей (IoT), инфраструктура 5G и автономные транспортные средства являются еще одной сферой роста танталовых конденсаторов.
Олово (Sn)
Олово (Sn) — это серебристый, ковкий металл, который нелегко окисляется на воздухе. Появившись после бронзы в древности, первое чистое металлическое олово было произведено в 600 году до нашей эры.
Детали
Сегодня его сочетают со многими сплавами, в частности с оловянно-свинцовым припоем и коррозионностойким луженым покрытием стали. Низкая токсичность делает луженый металл пригодным для упаковки пищевых продуктов. Олово также содержится в батареях.
Титанат (Titanate)
Титанат обычно относится к неорганическим соединениям, состоящим из оксидов титана. Эти материалы имеют белый цвет и высокую температуру плавления, что делает их пригодными для печей.
Детали
Титанат также используется в качестве анодного материала некоторых литиевых аккумуляторов. Литий-титанатные аккумуляторы можно быстро заряжать с небольшой нагрузкой. Они долговечнее, чем обычные литий-ионные с графитовыми анодами, но содержат меньше энергии и являются более дорогими.
Ванадий (V)
Ванадий — твердый серебристо-серый металл с символом V. Открытый в 1801 году в Мексике, ванадий содержится примерно в 65 минералах, и после выделения металл образует стабильный оксидный слой.
Детали
Ванадий также встречается в природе в месторождениях ископаемого топлива и производится в Китае и России из шлака сталеплавильных заводов и других побочных продуктов, включая добычу урана. Ванадий используется для специальных стальных сплавов, таких как высокоскоростные инструменты, включая проточные батареи. Цена на ванадий частично выросла из-за снижения его доступности, вызванного закрытием шахт в Южной Африке и России, а также из-за закрытия в Китае, связанных с рынками железа и стали, и более строгих экологических законов, которые также включают запрет на импорт ванадийсодержащих стальных профилей. Кроме проточных батарей, ванадий также используется для высокопрочной арматуры и других высококачественных стальных изделий. Политехнический институт Ренсселера, США, экспериментирует с высокими скоростями зарядки литий-ионных аккумуляторов, заменяя оксид кобальта дисульфидом ванадия.
Цинк (Zn)
Цинк (Zn) химически похож на магний; сочетание цинка с медью превращает латунь, сплав, который использовался с 10 века до нашей эры в Иудее и с 7 века до нашей эры в Греции.
Детали
Металлический цинк не производился в больших масштабах до 12 века в Индии и конца 1500-х годов в Европе. К 1800 году Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта открыли электрохимические свойства цинка для аккумуляторов. Другие способы его использования - это коррозионностойкое цинкование железа и легких металлических отливок. Он также является ингредиентом шампуней против перхоти. Цинк является важным минералом для нашего физического развития и благополучия. Дефицит цинка поражает около двух миллиардов людей в развивающихся странах. Симптомами являются задержка роста, задержка половой зрелости, уязвимость к инфекциям и диарея. Избыток цинка может привести к вялости и дефициту меди.
Определения оксидов
Краткая таблица основных терминов, связанных с оксидами и производными соединениями, которые часто встречаются в материалах для батарей.
| Термин | Что означает |
|---|---|
| Оксид | Химическое соединение, содержащее по меньшей мере один атом кислорода и другой элемент. |
| Монооксид | Любой оксид, содержащий один атом кислорода. |
| Диоксид | Оксид, содержащий два атома кислорода в своей молекуле или эмпирической формуле. |
| Дисульфид | Сульфид, содержащий два атома серы в своей молекуле или эмпирической формуле. |
| Триоксид | Соединение с тремя атомами кислорода (важно для некоторых катодных материалов). |
| Гидроксид | Неорганическое химическое соединение с одним атомом водорода и одним атомом кислорода. |
| Твердотельный оксид | Элементы, окисляющиеся кислородом воздуха или воды. |
| Пероксид | Соединение, содержащее одинарную связь кислород-кислород. |
| Оксигидроксид | Смешанный оксид и гидроксид. |