science >> Wetenschap >  >> Natuur

Kobalt:essentieel voor batterijen en heldere blues

Kobalt is in zijn natuurlijke staat niet helderblauw. Het moet worden behandeld met een proces dat calcineren wordt genoemd en dat de mineralen blootstelt aan temperaturen boven 2012 graden F. Alchemist-hp/Wikimedia Commons/CC BY-NC-ND 3.0

Op je 27ste binnenkomen in je periodiek systeem is kobalt, een essentieel element in oplaadbare batterijen en straalmotoren. in 2018, het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Zaken heeft een lijst uitgegeven van 35 essentiële mineralen waar de Amerikaanse economie niet zonder kan, inclusief kobalt. Kobalt wordt zelfs als een nationaal veiligheidsrisico beschouwd omdat het meeste ervan wordt gewonnen in een politiek onstabiele regio van Afrika en geraffineerd in China.

Laten we meer te weten komen over dit veelzijdige metaal, eerst geprezen vanwege zijn vermogen om levendig blauw aardewerk te maken en nu de sleutel tot de toekomst van elektrische auto's. We beginnen met een beetje folklore.

Kobalt dankt zijn naam aan kabouters

Eeuwen geleden, mijnwerkers in de Schneeberg-bergen van het hedendaagse Duitsland kwamen in een probleem terecht. Ze sneden in de berghelling op zoek naar metaalrijk erts, specifiek zilver en nikkel. Maar toen ze probeerden het erts te smelten tot zijn waardevolle metalen componenten, enige onzuiverheid bleef het proces bederven.

Omdat het de Middeleeuwen zijn, de mijnwerkers gaven hun smeltproblemen de schuld kopelts of kopolds , een middeleeuws Duits woord voor 'kabouter' of 'kobold'. Volgens de legende, de kopolds leefde in de Schneeberg-mijnen en hield ervan om mensen voor de gek te houden door het zilver en nikkel in hun erts te vervangen door een vies mineraal dat giftige dampen vrijgaf tijdens het smeltproces. Ze kregen ook de schuld van instortingen.

Zoals met alle goede oude legendes, het kabouterverhaal had een kern van waarheid. Het smeltproces van zilver en nikkel werd bemoeilijkt door de hoge niveaus van natuurlijk voorkomend kobalt in het Schneeberg-gesteente. En een mineraal genaamd kobaltiet bevat arseen en zwavel, die dodelijk kunnen zijn als ze in een luchtdichte mijnschacht worden vrijgelaten.

Kobalt, het elementaire metaal, werd voor het eerst geïsoleerd en in 1735 benoemd door de Zweedse chemicus Georg Brandt, een vroege criticus van alchemie en waarschijnlijk geen fan van kabouters, of.

Oude Egyptenaren en Chinezen waren dol op kobaltblauw

Hoewel kobalt zijn naam pas in de 18e eeuw kreeg, Op kobalt gebaseerde pigmenten en kleurstoffen worden al millennia gewaardeerd om hun rijke blauwe tint.

Het Cobalt Institute zegt dat aardewerk en glas met op kobalt gebaseerde glazuren zijn teruggevonden in Egyptische graven die minstens 2 jaar oud zijn, 600 jaar. En het beroemde blauwe Chinese porselein uit de Tang (600-900 G.T.) en Ming (1350-1650 G.T.) dynastieën werd ook geglazuurd met op kobalt gebaseerde mineralen.

Een Chinese vaas gemaakt van kobalt uit de vroege jaren 1300. Wereldbeeldvorming/Wikipedia/CC BY-SA 3.0

Zuiver kobalt is een glanzende grijze kleur, maar het kan worden omgezet in een helderblauw poeder door kobaltoxiden te nemen en ze te behandelen met een proces dat calcineren wordt genoemd en dat kobaltrijke mineralen blootstelt aan temperaturen van meer dan 2, 012 graden F (1, 100 graden C). De opvallende kleur die bekend staat als kobaltblauw wordt gemaakt door kobaltoxide (Co 3 O 4 ) met aluminiumsilicaten op 2, 192 graden F (1, 200 graden C).

Een groot aantal andere tinten - mazarineblauw, wilgen blauw, blauwzwart — kan worden gemaakt door kobaltoxide te combineren met andere mineralen. Kleine hoeveelheden blauwe kobalttinten worden ook gebruikt als "ontkleuringsmiddel" om gelige hints in glas door ijzerverontreiniging te neutraliseren.

Kobalt werd tot in de 20e eeuw bijna uitsluitend gebruikt als ingrediënt in pigmenten en verven. 1916, meer dan 70 procent van al het kobalt dat in de wereld wordt gewonnen en geraffineerd, dat was slechts 440 ton (400 ton), werd gebruikt als oxiden voor kleurstoffen, volgens het Cobalt Instituut.

De helft van 's werelds kobalt wordt gebruikt voor oplaadbare batterijen

De oplaadbare lithium-ionbatterijen in uw smartphone, tablet en elektrisch voertuig lopen, althans gedeeltelijk, op kobalt. Kobalt is een van de belangrijkste ingrediënten, samen met andere metalen zoals lithium, nikkel en mangaan, binnen deze snelladende, duurzame batterijen die ons digitale leven van stroom voorzien. Ongeveer 50 procent van het wereldwijd geproduceerde kobalt wordt gebruikt voor oplaadbare batterijen.

Kobalt wordt gevonden in de kathode (de positief geladen elektrode) van lithium-ionbatterijen. Wanneer een lithium-ionbatterij wordt opgeladen, lithiumionen stromen van de kathode naar de negatief geladen anode, waar ze zijn opgeslagen. Wanneer de batterij leeg is, de ionen stromen terug naar de kathode en elektronen komen vrij om de telefoon of elektromotor van stroom te voorzien.

Kobalt heeft twee aangeboren eigenschappen die het ideaal maken voor batterijtoepassingen:thermische stabiliteit en hoge energiedichtheid. Kathodes gemaakt met kobalt zullen niet gemakkelijk oververhitten of vlam vatten, wat een belangrijk veiligheidsprobleem is, en ze zullen ook meer energie kunnen opslaan en overdragen. Kobalt komt niet alleen voor in de kathoden van lithium-ionbatterijen, maar ook in andere populaire oplaadbare batterijen zoals nikkel-cadmium- en nikkel-metaalhydridebatterijen.

Aangezien kobalt momenteel tussen 10 en 33 procent van de oplaadbare kathoden uitmaakt, de auto-industrie zal veel meer kobalt nodig hebben om de toekomst van elektrische voertuigen aan te drijven. Eén analyse voorspelt dat de kobaltvraag van personenauto's alleen zal verviervoudigen van meer dan 27, 500 ton (25, 000 ton) in 2020 tot meer dan 110, 231 ton (100, 000 ton) tegen 2025.

Het is superhandig in superlegeringen

Wanneer lucht- en ruimtevaartingenieurs een materiaal nodig hebben dat bestand is tegen de intense hitte in een straal- of raketmotor, ze wenden zich tot "superlegeringen" gemaakt met kobalt.

Superlegeringen zijn hoogwaardige metalen die hun opvallende naam te danken hebben aan de extreem hoge weerstand tegen slijtage en hitte. Op nikkel gebaseerde superlegeringen presteren beter dan kobaltlegeringen voor stressbestendigheid bij temperaturen tot 1 706 graden F (930 graden C). Buiten die extreme temperatuur, op kobalt gebaseerde superlegeringen laten echt hun spullen zien.

Kobalt heeft een hoger smeltpunt dan nikkel en superlegeringen van kobalt zijn beter bestand tegen hittecorrosie. Daarom vind je superlegeringen van kobalt in de stationaire vinnen van gasturbinemotoren, die de dupe worden van de intense hitte die wordt gegenereerd door straalmotoren zonder te verslijten en te falen.

Het wordt meestal gedolven in één onrustig land

Een van de belangrijkste redenen dat kobalt op de lijst van "kritieke mineralen" voor de nationale veiligheid van het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Zaken is beland, is dat de helft van het kobalt in de wereld wordt gewonnen in de Democratische Republiek Congo (DRC). Zoals een rapport van de U.S. Geological Survey uitlegt:DRC heeft een slechte geschiedenis van corruptie bij de overheid, mensenrechtenschendingen en milieuschade in verband met kobaltwinning.

Het zijn niet alleen mensenrechtenorganisaties zoals Amnesty International die zich zorgen maken over onveilige en onethische arbeidspraktijken die verband houden met niet-gereguleerde "ambachtelijke" kobaltwinning in de DRC. De politieke en ecologische instabiliteit van de DRC betekent dat een groot deel van de kobalttoeleveringsketen kwetsbaar is voor verstoring. Als de hightech-economie afhankelijk is van een constante aanvoer van kobalt, grotendeels te gebruiken in oplaadbare batterijen, dan problemen in de DRC de wereldwijde economische groei zouden kunnen vertragen.

Het USGS-rapport merkt ook op dat China de belangrijkste raffinaderij van kobalt is en een van de grootste financiers van grote kobaltmijnactiviteiten in de DRC. Zoals het staat, de Amerikaanse technologiesector is enorm afhankelijk van een onstabiele bron in de DRC en een controversiële handelspartner in China voor zijn kobaltvoorziening. Dat verklaart het laatste feit op onze lijst.

De VS gaan kobaltmijnen in

Volgens cijfers uit 2015 de Verenigde Staten verbruikten 10 procent van 's werelds kobalt terwijl ze minder dan 1 procent van de wereldwijde kobaltvoorraad produceerden.

Kobalt is niet overal, maar het is ook geen bijzonder zeldzaam mineraal - het staat op de 32e plaats in overvloed in de aardkorst. Slechts twee mijnen in Canada en Marokko kunnen zuiver kobalterts winnen, terwijl het grootste deel wordt gewonnen als bijproduct van koper- en nikkelwinning. Een van 's werelds rijkste kobaltafzettingen bevindt zich in de Centraal-Afrikaanse Copperbelt in de DRC.

de VS, echter, is niet gezegend met veel hoogwaardige kobaltafzettingen, wat het lastiger maakt om winstgevend te mijnen. De mijnindustrie heeft ook geklaagd over een traag vergunningsproces om delfstoffenexploratie mogelijk te maken. zowel onshore als offshore. De regering-Trump heeft het ministerie van Binnenlandse Zaken opdracht gegeven het vergunningsproces te versnellen in een poging de afhankelijkheid van Amerika van buitenlandse bronnen van kritieke mineralen zoals kobalt te verminderen.

Ondanks vergunningen en geologische obstakels, er is enige vooruitgang geboekt in de kobaltwinning in de VS. In 2014, de Eagle Mine in het Upper Peninsula van Michigan begon nikkel en koper te ontginnen met kobalt en andere mineralen als bijproduct. En Amerika's eerste mijn gewijd aan kobalt maakt zich klaar om in 2020 in Idaho in productie te gaan.

Dat is nou cool

Kobalt is een essentiële micronutriënt in dierlijke en menselijke voeding. Herkauwers zoals koeien zetten kobalt om in cobalamine, ook wel vitamine B12 genoemd. Het voedsel met de hoogste concentratie kobalt is chocolade!