Два года назад журналисты Washington Post сделали серию материалов про добычу самых дорогостоящих элементов внутри Li-ion аккумулятора — графита, кобальта и лития. В одном из них — короткий видеоролик. Африка, узкая мутная река — почти ручей, а по берегам — женщины в разноцветных одеждах, дети и суета. Мы в самой гуще рабочего дня: все промывают в ручье куски то ли земли, то ли камней. Быть может, именно отсюда родом кобальт, без которого не может работать аккумулятор вашего смартфона: большая часть его добычи приходится на небольшой регион африканской страны Конго, где есть официальные шахты с касками и минимальными зарплатами, а есть дикая добыча.

В этом видео, кроме гуманитарной проблемы, можно рассмотреть еще и, наверное, главную техническую проблему в производстве Li-ion аккумуляторов. По оценкам аналитического агентства Bloomberg New Energy Finance, уже в 2016 году общая емкость всех проданных Li-ion составила около 120 ГВт*ч. В пересчете на что-то более привычное это 7,5 миллиарда стандартных телефонных аккумуляторов, то есть почти по штуке на каждого жителя Земли. Ноутбуки, смартфоны — инопланетянину люди могут показаться лишь странными животными, обслуживающими плоские коробочки с энергией: каждый вечер они приходят домой, чтобы зарядить их, а с утра отправляются тратить восполненные запасы электричества.

И, если мы еще и захотим использовать Li-ion в электромобилях, даже жестокий рынок кобальта может уже этого не выдержать: либо люди станут работать уже в совсем рабских условиях, либо — что более вероятно — они не смогут добывать кобальт в нужных для индустрии объемах.

Впрочем, это совсем не единственные проблемы Li-ion.

Запасливая коробочка

Если кто-то (например, Нобелевский комитет) захочет разобраться, кто первый придумал литий-ионный аккумулятор, то столкнется с серьезной проблемой. В одной работе впервые предложили сам принцип, в другой показали какой-нибудь компонент, а в третьей наконец собрали сам аккумулятор. В общем, истоков у технологии очень много — десятки лет исследований и сотни коллективов, перебиравших материалы и условия.

Основной принцип работы Li-ion аккумулятора достаточно прост. Внутри этой коробочки — разделенные полупроницаемой мембраной два электрода (то есть электропроводящих материала, исполненных в определенном форм-факторе — пластина, проволока, цилиндр и т.д.), погруженных в электролит (очень упрощенно: электропроводящий раствор), богатый ионами лития. В самой популярной на сегодня версии аккумулятора один его электрод сделан из графита, а другой из оксида кобальта СoO2.

Главные действующие лица в Li-ion аккумуляторах, как видно из названия, это атомы лития. Они очень легкие и подвижные и поэтому отлично справляются с ролью хранителей энергии. Li-ion аккумуляторы, с одной стороны, получают почти максимальную удельную емкость в расчете на массу, поскольку каждый из атомов лития может хранить по одному электрону. А с другой стороны, мобильность атомов лития позволяет аккумуляторам быстро разряжаться, выдавая неплохой ток, поскольку эти процессы напрямую связаны с перемещением лития внутри аккумулятора. В свою очередь, графит и оксид кобальта подобраны уже под литий: их кристаллические решетки организованы таким образом, что позволяют атомам лития легко проходить сквозь них.

Взрывы и самовозгорания прошлого поколения Li-ion аккумуляторов

Еще несколько лет назад вместо графитового электрода использовался чистый металлический литий, от которого за время многочисленных циклов зарядки и разрядки в сторону CoO2 вырастали ветвистые дендриты. Они в конце концов «коротили» положительный и отрицательные электроды друг на друга, и через аккумулятор начинали проходить слишком большие электрические токи. Это запускало каскад неуправляемых химических реакций с выделением тепла, и аккумулятор плавился или взрывался. Похожая история недавно была с аккумуляторами Samsung Galaxy Note 7, только они взрывались даже не из-за износа, а из-за просчетов при сборке аккумуляторов.

Проблема с зарядкой

Другой пример менее опасный, но зато более знакомый: если разрядить Li-ion аккумулятор несколько раз до нуля, то после он уже гораздо хуже держит электричество, потому что кристаллическая структура электрода из оксида кобальта частично разрушилась под напором атомов лития.

Еще больше была проблема с зарядкой. Несколько лишних процентов к величине тока или напряжения — и аккумуляторы сразу начинали деградировать. Теперь обычные пользователи защищены от этих фокусов своими зарядными устройствами и встроенными в аккумуляторы электронными схемами, контролирующими ход зарядки, но раньше такого не было и аккумуляторы выдерживали гораздо меньше циклов разряда и заряда. Вся начинка наших «черных ящиков» тщательно подогнана и смазана годами исследований, чтобы мы могли наслаждаться видимой простотой.

Li-ion в электротранспорте

Сделать большой Li-ion аккумулятор непросто. По сути, это огромный ансамбль аккумуляторов, синхронизированных между собой. Например, аккумулятор Tesla Model S состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый, то есть всего из 1184 элементов. Эта сложная конструкция, по некоторым оценкам, стоит почти половину всей машины. Чтобы минимизировать издержки, Илон Маск открыл в пустыне Невада огромную фабрику по изготовлению Li-ion аккумуляторов

Индустрия литий-ионных аккумуляторов

Журналисты Motherboard однажды измельчили айфон в промышленном блендере и выяснили, что внутри него содержится как минимум 31 различный химический элемент. Золото, галлий, ванадий — откуда они там? Зачем? Внутри Li-ion аккумуляторов тоже много неожиданных историй. Дикая добыча кобальта — это самая популярная работа в окрестностях африканского города Колвези. Мужчины небольшими группами спускаются в подземные лазы, где почти без всяких инструментов отбивают горную породу, а потом отдают ее на промывку женам и детям и в конце концов продают находки перекупщикам. Средняя выручка на мужчину получается 2−3 $ в день. Добыча за гранью выживания. Местные даже верят, что подземные залежи кобальта можно опознать по особым цветам, растущим над ними на Земле.

Источник Чердак