Сировинні матеріали для батарей
Батарейки використовують різноманітні елементи, які видобуваються із земної кори. Цікаво, що більшість цих матеріалів також є спільними для рослин та живих істот. Ми створені із зоряного пилу, і все, що росте та рухається, походить з цих ресурсів. Як і для всіх живих організмів, речовини для батарейок ретельно підбираються та вибираються в правильній кількості для досягнення гармонійної взаємодії. Занадто багато однієї частини може порушити тонкий баланс.
Алюміній (Al)
Сріблясто-білий, м’який, немагнітний метал із символом Al. Походить з бокситів, це третій за поширеністю елемент у земній корі після кисню та кремнію.
Деталі
Під впливом повітря алюміній утворює пасиваційний шар, який захищає метал від корозії. Алюміній використовується як катодний матеріал у деяких літій-іонних акумуляторах .
Стибій (Антимон, Sb)
Сурма — це крихкий блискучий білий металевий елемент із символом Sb. Його було відкрито у 3000 році до нашої ери та помилково прийнято за свинець.
Деталі
Основним виробником є Китай, і цей метал використовується у свинцево-кислотних акумуляторах для зміцнення свинцевих пластин, зменшення витрат на обслуговування та підвищення продуктивності. Інші застосування — це вогнестійкі матеріали, виробництво виробів з низьким тертям, покращення характеристик матеріалів шляхом змішування Sb з іншими сплавами та створення напівпровідників.
Кадмій (Cd)
М’який блакитно-білий метал із символом Cd. Відкритий у 1817 році в Німеччині, кадмій є побічним продуктом виробництва цинку та використовувався як пігмент та покриття сталі для захисту від корозії.
Деталі
Кадмій використовується як анодний матеріал для нікель-кадмієвих акумуляторів, але Директиви про обмеження небезпечних речовин заборонили комерційне використання цих акумуляторів.
Кальцій (Ca)
М’який сірий лужний метал із символом Ca, який був відкритий Гемфрі Деві (1778–1829). Він є п’ятим за масою найпоширенішим елементом у земній корі та відіграє важливу роль для живих організмів у будівництві кісток, зубів та панцирів.
Деталі
Кальцій покращує механічну міцність свинцевих пластин у свинцево-кислотних акумуляторах та підвищує їх продуктивність.
Хлорид (Cl⁻)
Хлорид — це негативно заряджений іон, який утворюється, коли хлор приєднує електрон або коли хлористий водень розчиняється у воді чи інших розчинниках.
Деталі
Солі хлориду, такі як хлорид натрію, використовуються як кухонна сіль та для консервування харчових продуктів. Хлорид також присутній у рідинах організму, а також в електроліті акумуляторів.
Залізо (Fe)
Залізо є найпоширенішим елементом на Землі за масою. Символ Fe походить від латинського «ferrum». Металеве залізо використовується з давніх часів, хоча мідні сплави з нижчими температурами плавлення з'явилися раніше за залізо.
Деталі
Чисте залізо відносно м'яке, і його можна загартувати вуглецем. Сполуки заліза відіграють важливу роль у біології, а також використовуються в літій-залізо-фосфат-оксидних акумуляторах.
Свинець (Pb)
Свинець — це м’який, ковкий важкий метал у вуглецевій групі з символом Pb. Він використовується у свинцево-кислотних акумуляторах, кулях та вагах, а також як радіаційний екран. Свинець має найвищий атомний номер серед усіх стабільних елементів і є токсичним при потраплянні всередину.
Деталі
Він пошкоджує нервову систему та викликає розлади мозку. Отруєння свинцем було задокументовано ще у Стародавньому Римі, Греції та Китаї.
Марганець (Mn)
Марганець, символ якого позначається як Mn, видобувається шляхом видобутку заліза та інших мінералів. Цей метал є відносно поширеним і видобувається по всьому світу, окрім Північної Америки. Виробництво сталі використовує приблизно 90 відсотків марганцю; решта 10% використовується в спеціальній хімії та сільському господарстві.
Деталі
Високоякісний марганець високої чистоти користується зростаючим попитом на літій-іонні акумулятори. Марганець названий на честь регіону «Магнезія» в Греції, де був знайдений цей чорний мінерал. Марганець використовується для запобігання корозії сталі та служить катодним матеріалом у літій-іонних , цинково-вуглецевих та лужних акумуляторах .
Нікель (Ni)
Нікель із символом Ni — це сріблясто-білий блискучий метал із легким золотистим відтінком. Його походження датується 3500 роком до нашої ери. Нікель здебільшого міститься у великих нікель-залізних метеоритах; на Землі він зустрічається у поєднанні із залізом.
Деталі
Міфологія пов'язує назву нікель зі Старим Ніком, бешкетним гномом, який стверджував, що мідно-нікелеві руди не піддаються переробці на мідь. Нікель добре підходить для акумуляторних електродів.
Срібло (Ag)
Срібло (Ag) – це м’який, білий, блискучий метал, який має найвищу електро- та теплопровідність серед усіх металів. Воно зустрічається в природі, але більша його частина виробляється як побічний продукт рафінування міді, золота, свинцю та цинку. Срібло використовувалося для грошових монет разом із ціннішим золотом.
Деталі
У промисловості срібло використовується в сонячних панелях та фільтрації води, а також у ювелірних виробах та дорогоцінних срібних виробах. Інші способи використання – це електричні контакти та провідники, дзеркала, віконні покриття, фотоплівка та рентгенівські промені. У медицині сполуки срібла служать дезінфікуючими засобами, які додають до бинтів та пов’язок для ран. Срібло також міститься у срібно-цинкових батареях .
Натрій (Na)
Натрій, символ Na, — це м’який, сріблясто-білий, високореактивний метал, що належить до шести елементів періодичної таблиці, з одним електроном на зовнішній оболонці. Віддаючи електрон, атом стає позитивно зарядженим. Натрій є шостим за поширеністю елементом у земній корі, але походить з мінералів.
Деталі
Вперше його виділив Гемфрі Деві у 1807 році шляхом електролізу гідроксиду натрію. Сполуки натрію використовуються для виготовлення мила та як антиобледенитель, а також, не можна забувати, як харчову сіль на наших обідніх столах. Він є важливим елементом для живих істот та рослин; його також використовують у натрій-сірчаних та літій-сірчаних батареях.
Шпінель
Шпінель — це твердий склоподібний мінерал, що складається з оксиду магнію та алюмінію, який утворює тривимірну хімічну структуру. Шпінелі були відомі як рубіни, а зараз є одними з найвідоміших дорогоцінних каменів у відтінках червоного, синього, зеленого, жовтого, коричневого та чорного кольорів.
Деталі
Літій-іонні акумулятори на основі марганцю складаються зі структури шпінелі, в якій катод утворює тривимірний каркас, що з'являється після початкового формування. Шпінельні акумулятори відомі своїм низьким опором.
Сірка (S)
Сірка (або Sulphur) — яскраво-жовтий неметалевий хімічний елемент із символом S. Він зустрічається в природі та цінується колекціонерами мінералів завдяки своїм виразним кольорам та формам. Сірка була відома в Стародавній Індії, Греції, Китаї та Єгипті, у Біблії її називають сіркою, що означає палаючий камінь.
Деталі
Сірка має запах гниючих яєць, пари від горіння сірки використовувалися для фумігації та як цілющий засіб. З сірки виготовляли найкращий порох, а також її використовують у сірниках, інсектицидах та фунгіцидах. Найбільшим промисловим застосуванням є добриво, оскільки вона є важливим елементом для всього життя. У минулому майже вся сірка, яку видобули із соляних куполів, зараз є побічним продуктом виробництва газу та нафти. Сполуки сірки також використовуються в натрієво-сірчаних батареях.
Тантал (Ta)
Назва походить від Тантала, лиходія з грецької міфології. Тантал (Ta) — це рідкісний, твердий, синьо-сірий, блискучий перехідний метал, який має високу стійкість до корозії та широко використовується для електронних компонентів, таких як конденсатори та потужні резистори. Діелектричний шар конденсатора дуже тонкий і досягає високої ємності в невеликому об'ємі.
Деталі
Африка є великим постачальником танталу, але це може змінитися, оскільки тантал є побічним продуктом видобутку літію, який зростає в Австралії. Потреба в танталових конденсаторах зростає у вимогливих умовах, таких як високі температури. Інтернет речей (IoT), інфраструктура 5G та автономні транспортні засоби є ще однією сферою зростання танталових конденсаторів.
Олово (Sn)
Олово (Sn) — це сріблястий, ковкий метал, який нелегко окислюється на повітрі. З'явившись після бронзи в давнину, перше чисте металеве олово було вироблено в 600 році до нашої ери.
Деталі
Сьогодні його поєднують з багатьма сплавами, зокрема з олов'яно-свинцевим припоєм та корозійностійким лудженим покриттям сталі. Низька токсичність робить луджений метал придатним для упаковки харчових продуктів. Олово також міститься в батареях.
Титанат (Titanate)
Титанат зазвичай відноситься до неорганічних сполук, що складаються з оксидів титану. Ці матеріали мають білий колір і високу температуру плавлення, що робить їх придатними для печей.
Деталі
Титанат також використовується як анодний матеріал деяких літієвих акумуляторів . Літій-титанатні акумулятори можна швидко заряджати з невеликим навантаженням. Вони довговічніші, ніж звичайні літій-іонні з графітовими анодами, але містять менше енергії та є дорожчими.
Ванадій (V)
Ванадій — твердий сріблясто-сірий метал із символом V. Відкритий у 1801 році в Мексиці, ванадій міститься приблизно в 65 мінералах, і після виділення метал утворює стабільний оксидний шар.
Деталі
Ванадій також зустрічається в природі в родовищах викопного палива та виробляється в Китаї та Росії зі шлаку сталеплавильних заводів та інших побічних продуктів, включаючи видобуток урану. Ванадій використовується для спеціальних сталевих сплавів, таких як високошвидкісні інструменти, включаючи проточні батареї . Ціна на ванадій частково зросла через зниження його доступності, спричинене закриттям шахт у Південній Африці та Росії, а також через закриття в Китаї, пов'язані з ринками заліза та сталі, та суворіші екологічні закони, які також включають заборону на імпорт ванадієвмісних сталевих профілів. Окрім проточних батарей, ванадій також використовується для високоміцної арматури та інших високоякісних сталевих виробів. Політехнічний інститут Ренсселера, США, експериментує з високими швидкостями заряджання літій-іонних акумуляторів, замінюючи оксид кобальту дисульфідом ванадію.
Цинк (Zn)
Цинк (Zn) хімічно схожий на магній; поєднання цинку з міддю перетворює латунь, сплав, який використовувався з 10 століття до нашої ери в Юдеї та з 7 століття до нашої ери в Греції.
Деталі
Металевий цинк не вироблявся у великих масштабах до 12 століття в Індії та кінця 1500-х років у Європі. До 1800 року Луїджі Гальвані та Алессандро Вольта відкрили електрохімічні властивості цинку для акумуляторів. Інші способи його використання - це корозійностійке цинкування заліза та легких металевих виливків. Він також є інгредієнтом шампунів проти лупи. Цинк є важливим мінералом для нашого фізичного розвитку та благополуччя. Дефіцит цинку вражає близько двох мільярдів людей у країнах, що розвиваються. Симптомами є затримка росту, затримка статевої зрілості, вразливість до інфекцій та діарея. Надлишок цинку може призвести до млявості та дефіциту міді.
Визначення оксиду
Коротка таблиця для базових термінів, пов'язаних з оксидами та похідними сполуками, які часто зустрічаються в батарейних матеріалах.
| Термін | Що означає |
|---|---|
| Оксид | Хімічна сполука, що містить щонайменше один атом кисню та інший елемент. |
| Моноксид | Будь-який оксид, що містить один атом кисню. |
| Діоксид | Оксид, що містить два атоми кисню у своїй молекулі або емпіричній формулі. |
| Дисульфід | Сульфід, що містить два атоми сірки у своїй молекулі або емпіричній формулі. |
| Триоксид | Сполука з двома атомами сірки (важлива для деяких катодних матеріалів). |
| Гідроксид | Неорганічна хімічна сполука з одним атомом водню та одним атомом кисню. |
| Твердий оксид | Елементи, що окислюються киснем повітря або води. |
| Перекис | Сполука, що містить одинарний зв'язок кисень-кисень. |
| Оксигідроксид | Змішаний оксид та гідроксид. |