На 27 месте в вашей периодической таблице находится кобальт, важный элемент в перезаряжаемых батареях и реактивных двигателях. В 2018 году Министерство внутренних дел США опубликовало список из 35 важнейших минералов, без которых экономика США не может жить, включая кобальт. Кобальт даже считается угрозой национальной безопасности, потому что большая его часть добывается в политически нестабильном регионе Африки и перерабатывается в Китае.
Давайте узнаем больше об этом универсальном металле, который сначала ценился за его способность создавать ярко-синюю керамику, а теперь является ключом к будущему электромобилей. Начнем с фольклора.
Кобальт получил свое название от гномов
Века назад шахтеры в горах Шнееберг на территории современной Германии столкнулись с проблемой. Они копались в склоне горы в поисках богатой металлами руды, особенно серебра и никеля. Но когда они попытались переплавить руду в ее ценные металлические компоненты, какая-то примесь все время портила процесс.
В Средние века горняки винили в своих проблемах с выплавкой хлопотные копельты или копольды, средневековое немецкое слово, означающее «гном» или «гоблин». Согласно легенде, копольды жили в шахтах Шнееберга и любили разыгрывать людей, заменяя серебро и никель в своей руде грязным минералом, который выделял ядовитые пары в процессе плавки. Их также обвиняли в обвалах.
Как и во всех хороших древних легендах, в истории гномов была доля правды. Процесс плавки серебра и никеля осложнялся высоким содержанием природного кобальта в породе Шнееберг. А минерал под названием кобальтит содержит мышьяк и серу, которые могут быть смертельными, если попадут в герметичную шахту.
Кобальт, элементарный металл, был впервые выделен и назван в 1735 году шведским химиком Георгом Брандтом, одним из первых критиков алхимии и, вероятно, тоже не поклонником гномов.
Древние египтяне и китайцы любили синий кобальт
Хотя кобальт не получил своего названия до 18-го века, пигменты и красители на основе кобальта ценились за их насыщенный синий оттенок на протяжении тысячелетий.
Институт кобальта сообщает, что керамика и стекло, содержащие глазури на основе кобальта, были обнаружены в египетских гробницах, возраст которых составляет не менее 2600 лет. А знаменитый синий китайский фарфор времен династий Тан (600-900 гг. н.э.) и Мин (1350-1650 гг. н.э.) также глазировали минералами на основе кобальта.
Чистый кобальт имеет блестящий серый цвет, но его можно превратить в ярко-синий порошок, взяв оксиды кобальта и обработав их в процессе, называемом прокаливанием, при котором богатые кобальтом минералы подвергаются воздействию температур, превышающих 2012 градусов. F (1 100 градусов С). Яркий цвет, известный как синий кобальт, получается путем нагревания оксида кобальта (Co3O4) с силикатами алюминия при температуре 2 192 градуса по Фаренгейту (1, 200 градусов С).
Множество других оттенков - мазариновый синий, иво-синий, иссиня-черный - можно получить путем соединения оксида кобальта с другими минералами. Небольшие количества синих оттенков кобальта также используются в качестве «обесцвечивателя», чтобы устранить желтоватые оттенки в стекле из-за загрязнения железом.
Кобальт почти исключительно использовался в качестве ингредиента в пигментах и красках вплоть до 20-го века. По данным Института кобальта, в 1916 году более 70 процентов всего кобальта, добытого и очищенного в мире, что составляло всего 440 тонн (400 метрических тонн), использовалось в качестве оксидов для красителей.
Половина кобальта в мире используется для аккумуляторов
Перезаряжаемые ионно-литиевые аккумуляторы в вашем смартфоне, планшете и электромобиле работают, по крайней мере частично, на кобальте. Кобальт является одним из ключевых ингредиентов, наряду с другими металлами, такими как литий, никель и марганец, в этих быстро заряжающихся и долговечных батареях, которые питают нашу цифровую жизнь. Около 50 процентов производимого в мире кобальта используется для аккумуляторных батарей.
Кобальт содержится в катоде (положительно заряженном электроде) ионно-литиевых аккумуляторов. Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития перетекают от катода к отрицательно заряженному аноду, где они сохраняются. Когда аккумулятор разряжается, ионы возвращаются к катоду, а электроны высвобождаются для питания телефона или электродвигателя.
Кобальт обладает двумя неотъемлемыми свойствами, которые делают его идеальным для применения в батареях: термическая стабильность и высокая плотность энергии. Катоды, изготовленные из кобальта, не будут легко перегреваться или возгораться, что является серьезной проблемой безопасности, и они также смогут хранить и передавать больше энергии. Кобальт содержится не только в катодах ионно-литиевых батарей, но и в других популярных перезаряжаемых батареях, таких как никель-кадмиевые и никель-металлогидридные батареи.
Поскольку кобальт в настоящее время составляет от 10 до 33 процентов перезаряжаемых катодов, автомобильной промышленности потребуется гораздо больше кобальта для питания будущих электромобилей. Один анализ предсказывает, что спрос на кобальт только для легковых автомобилей вырастет в четыре раза с более чем 27 500 тонн (25 000 метрических тонн) в 2020 году до более 110 231 тонны (100 000 метрических тонн) к 2025 году.
Это очень полезно для суперсплавов
Когда аэрокосмическим инженерам нужен материал, способный выдерживать сильный нагрев внутри реактивного или ракетного двигателя, они обращаются к «суперсплавам», изготовленным из кобальта.
Суперсплавы - это высокоэффективные металлы, получившие свое громкое название благодаря чрезвычайно высокой стойкости к износу и нагреву. Суперсплавы на основе никеля превосходят кобальтовые сплавы по стойкости к нагрузкам при температурах, достигающих 1 706 градусов по Фаренгейту (930 градусов по Цельсию). За пределами этой экстремальной температуры суперсплавы на основе кобальта действительно показывают себя.
Кобальт имеет более высокую температуру плавления, чем никель, а суперсплавы кобальта более устойчивы к термической коррозии. Вот почему вы найдете суперсплавы кобальта в стационарных ребрах газотурбинных двигателей, которые принимают на себя основной удар интенсивного тепла, выделяемого реактивными двигателями, не изнашиваясь и не выходя из строя.
В основном добывается в одной неспокойной стране
Одна из основных причин, по которой кобальт попал в список «критических полезных ископаемых» Министерства внутренних дел США для национальной безопасности, заключается в том, что половина мировых запасов кобальта добывается в Демократической Республике Конго (ДРК). Как поясняется в отчете Геологической службы США, у ДРК плохая история коррупции в правительстве, нарушений прав человека и ущерба окружающей среде, связанного с добычей кобальта.
Не только правозащитные организации, такие как Amnesty International, обеспокоены небезопасной и неэтичной практикой труда, связанной с нерегулируемой «кустарной» добычей кобальта в ДРК. Политическая и экологическая нестабильность в ДРК означает, что огромный отрезок цепочки поставок кобальта может быть нарушен. Если высокотехнологичная экономика будет зависеть от стабильных поставок кобальта, в основном для использования в перезаряжаемых батареях, то проблемы в ДРК могут замедлить экономический рост во всем мире.
В отчете Геологической службы США также отмечается, что Китай является основным переработчиком кобальта и одним из крупнейших финансовых спонсоров крупных операций по добыче кобальта в ДРК. В нынешнем виде технологический сектор США сильно зависит от нестабильного источника в ДРК и спорного торгового партнера в Китае в отношении поставок кобальта. Что объясняет последний факт в нашем списке.
США приступают к добыче кобальта
Согласно данным за 2015 год, Соединенные Штаты потребляли 10 процентов мирового объема кобальта, производя при этом менее 1 процента мировых поставок кобальта.
Кобальт есть не везде, но и не особо редкий минерал - по распространенности в земной коре он занимает 32-е место. Только две шахты в Канаде и Марокко могут добывать чистую кобальтовую руду, в то время как большая часть извлекается как побочный продукт добычи меди и никеля. Одно из самых богатых месторождений кобальта в мире находится в Центральноафриканском медном поясе в ДРК.
У. S., однако, не наделен большим количеством месторождений высококачественного кобальта, что затрудняет прибыльную добычу. Горнодобывающая промышленность также жаловалась на медленный процесс выдачи разрешений на разведку полезных ископаемых как на суше, так и на море. Администрация Трампа поручила Министерству внутренних дел ускорить процесс выдачи разрешений, чтобы уменьшить зависимость Америки от иностранных источников критически важных полезных ископаемых, таких как кобальт..
Несмотря на разрешительные и геологические препятствия, в добыче кобальта в США был достигнут определенный прогресс. В 2014 году на руднике Eagle Mine на Верхнем полуострове Мичигана началась добыча никеля и меди с кобальтом и другими полезными ископаемыми в качестве побочного продукта. А первая в Америке шахта по добыче кобальта готовится к запуску в 2020 году в Айдахо.
Вот это круто
Кобальт является важным микроэлементом в рационе животных и человека. Жвачные животные, такие как коровы, превращают кобальт в кобаламин, также известный как витамин B12. Продукт с самой высокой концентрацией кобальта - это шоколад!