Знаете ли вы какие металлические материалы используются в аккумуляторах электромобилей?
Современные аккумуляторы для электромобилей представляют собой сложные системы, в которых используются металлы, названия которых мы знаем еще со школьных уроков химии, но в реальности с ними мало кто сталкивался. Напомним основные характеристики кобальта и марганца, которые содержатся в аккумуляторах.
Кобальт
Кобальт (химическая марка Со, лат. Cobaltum) — голубоватый, ферромагнитный, твердый металл. Он используется в металлургии для улучшения свойств сплавов, при окраске стекла и керамики, а также имеет важное биологическое значение.
В своем обычном состоянии кобальт устойчив к воздуху и воде. В мелкодисперсном состоянии кобальт, как и железо, пирофорен (самовоспламеняется на воздухе). Он растворяется в разбавленных кислотах, таких как соляная, серная и азотная кислоты, но очень неохотно и медленно.
При нормальных температурах кобальт менее реакционноспособен, но при более высоких температурах он часто соединяется со многими элементами, образуя пламя (сера, фосфор, мышьяк, сурьма, олово, цинк, кремний, бор, галогены). Однако он не соединяется с азотом и водородом.
Историческое развитие
О первом применении соединений кобальта мы узнаем из египетских археологических находок. Они датируются 2600 г. до н.э. и представляют собой керамические и стеклянные жемчужины, окрашенные синим кобальтом.
В Средние века горняки называли кобальтовыми рудами, которые, несмотря на их металлический вид, не могли быть металлургически переработаны в металл.
Название кобальт основано на немецком названии эльфов-коболдов, которые были довольно злобными и проповедовали шахтерский труд.
Наличие кобальта ухудшало качество и перерабатываемость добываемых никелевых руд, а примеси кобальта еще больше угрожали их здоровью, так как при их обжиге выделялись опасные ядовитые газы. Позже это обозначение было ограничено рудами, которые трудно поддавались металлургической обработке и окрашивали стекло в синий цвет.
Крупнейшие запасы руды со значительной долей кобальта находятся в России, Китае, Австралии, Демократической Республике Конго и Замбии.
Производство
Основу производства кобальта составляют сплавы, которые получают при металлургической переработке никелевых, медных и свинцовых руд, содержащих мышьяк, где кобальт присутствует преимущественно в виде арсенида.
Сплавы производили оксиды кобальта, которые использовались в производстве кобальтовых красок и не обязательно должны были быть в очень чистом состоянии. Однако сегодня в основном производится металлический кобальт.
Самая большая проблема в производстве заключается в удалении никеля, который составляет значительную часть кобальтовых руд.
Использование
Цена кобальта довольно высока из-за его относительно низкой распространенности и сложности добычи, а в некоторые периоды биржевая цена кобальта достигает стоимости серебра.
Поэтому в металлургии он в основном применяется только в тех случаях, когда его нельзя заменить каким-либо более дешевым металлом и его обычно сплавляют в сплавы только в относительно небольших количествах.
Литий-ионный аккумулятор
Большая часть кобальта используется для изготовления литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые благодаря своей высокой удельной емкости, примерно 250 Вт-ч/кг, в последние годы постепенно практически вытеснили из всех портативных устройств старые типы аккумуляторов (NiMH, NiCd).
Потребление кобальта продолжит значительно расти вместе с развитием электрической мобильности и необходимостью производить в больших количествах литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время являются единственным практическим способом достижения приемлемого запаса хода и рационального веса электромобилей.
Например, легковой автомобиль массой 300 кг с литий-ионной аккумуляторной батареей имеет дальность около 500 км.
Другие типы батарей (включая другие типы батарей на основе лития) в лучшем случае достигают половины удельной емкости литий-ионных батарей. Для той же дальности вес этих других батарей должен быть удвоен.
Мировое потребление кобальта к 2010 году до разработки литий-ионных аккумуляторов составляло примерно 50 000 тонн. В 2016 году потребление кобальта составило 100 000 тонн, из них около половины на производство литий-ионных аккумуляторов.
Легковой машине с запасом хода 500 км требуется примерно 10 кг кобальта и 7 кг лития для 300-килограммовой батареи.
Недостаточные запасы кобальта могут ограничить развитие электромобилей в будущем больше, чем запасы лития.
Марганец
Марганец (химическая марка Mn, лат. Marganese) — светло-серый, парамагнитный, твердый металл. Используется в металлургии в качестве добавки к различным сплавам, катализаторам и цветным пигментам.
Двуокись марганца известна с древних времен, когда ее применяли в производстве стекла. Считался разновидностью магнетита.
В Средние века уже различали магнезии или магнезиус ляпис (магнетит, магнитный камень, магнитный железняк) и пиролюзит (диоксид марганца, MnO2).
Немного позже стеклодувы дали пиролюзиту название «бурель» в соответствии с его способностью обесцвечивать мыло из железного стекла и изменили его название на марганцевый или ляпис-марганцевый.
Представление о том, что пиролюзит — это железная руда, сохранялось до середины 18 века. В это время, однако, окончательно сошлись во мнении, что эта руда должна содержать и другой, пока неизвестный металл.
Он был открыт в 1774 году шведским химиком Карлом В. Шеелем, который в этом году представил Стокгольмской академии наук неопровержимые доказательства.
В том же году был выделен марганец. Он был выделен Йоханом Готлибом Ганом при нагревании пиролюзита с древесным углем и маслом при высоких температурах.
Марганец в чистом виде не производился до 1930-х годов путем электролиза растворов солей марганца. Марганец получил первое название марганец в 1774 году.
Марганец — элемент с относительно большим присутствием на Земле и в космосе. В земной коре среднее содержание марганца составляет около 0,9–1 г/кг, что соответствует 0,1% или 1000 ppm (частей на миллион = частей на 1 миллион частиц) и занимает двенадцатое место. В морской воде его концентрация составляет около 2 мкг на литр.
Подсчитано, что на один атом марганца во Вселенной приходится около 5 миллионов атомов водорода. В природе марганец почти всегда встречается одновременно с железными рудами.
Использование
Существенная часть мирового производства марганца расходуется на производство стали – это около 95% мирового производства марганца, а также марганцевых бронз и алюминиевых сплавов.
Остальное потребляется в стекольной и керамической промышленности и в производстве химикатов. Некоторые соединения марганца использовались, а некоторые до сих пор используются в качестве красителей.
Естественные цвета марганца включают умбру, а искусственные — марганцево-коричневый (щелочной карбонат марганца), марганцево-белый (карбонат марганца), марганцево-зеленый (иногда также кассельский зеленый) и перманентно-фиолетовый.
В сталелитейной промышленности марганец в первую очередь служит компонентом, связывающим серу и кислород при плавке, которые необходимо удалять из высококачественной стали.
Таким образом, он служит добавкой для десульфурации и раскисления, которая превращает образовавшиеся соединения S и O в шлак и, таким образом, очищает расплав.
Однако после завершения плавки некоторые процент элементарного марганца остается, в некоторых случаях только в виде непрореагировавшего избытка после удаления S и O, иногда содержание преднамеренно выше, чтобы достичь других механических свойств получаемой стали.
В дополнение к марганцу стали всегда содержат железо, хром и, как правило, никель в качестве основных компонентов.
Еще одним чрезвычайно важным марганцевым сплавом является дюралюминий. Это название относится к группе очень легких и механически стойких сплавов на основе алюминия и магния с меньшим содержанием меди и марганца.
Гальванические элементы
Самый старый серийно выпускаемый электрический гальванический элемент (батарея) состоял из цинкового катода и анода, который представлял собой графитовый диск, помещенный в пасту с высоким содержанием диоксида марганца MnO2.
Ячейка этого гальванического элемента обеспечивала напряжение примерно 1,5 В. При потреблении тока элементарный цинк окисляется до Zn+2, а четырехвалентный марганец восстанавливается до Mn+2.
Какие сплавы используются в аккумуляторах
Наиболее распространенный тип батарей, которые используются в современных автомобилях, — это свинцово-кислотный аккумулятор. Он назван так, потому что имеет в своем составе решетки, изготовленные из свинцовых сплавов. Свинцово-кислотная батарея получила широкое распространение, поскольку обладает весьма большим ресурсом работы и достаточно высокой удельной мощностью.
Свойства сплавов
Свойства сплава, из которого сделаны токоотводы АКБ, напрямую влияют на характеристики работы самого аккумулятора. Одно из главных требований, которые разработчики аккумуляторов предъявляют к сплаву, заключается в том, что он должен быть достаточно твердым и устойчивым к любым нагрузкам, которым АКБ подвергается в процессе работы. Очевидно, что сплав также должен хорошо проводить электрический ток и обладать рядом свойств, позволяющих без нарушения производственной технологии использовать его в процессе литья.
Существуют определенные требования и к коррозионной устойчивости. Это в особенности актуально для положительных токоотводов, так как именно они подвергаются увеличенным нагрузкам при работе аккумулятора. Под воздействием нагрузок положительная решетка способна не только деформироваться, но и покрыться слоем оксида свинца, который препятствует эффективному прохождению тока.
Посторонние и нежелательные примеси в свинцовом сплаве в целом ухудшают его характеристики и негативно влияют на работу АКБ. Происходит это из-за того, что в процессе коррозии положительной решетки эти примеси становятся частью активной массы и способствуют усилению процесса газообразования, а также стимулируют потерю воды.
Типы сплавов для АКБ
Однако добавки в сплавах, из которых производятся решетки для АКБ, конечно же, есть. Долгое время для производства решеток использовался свинцово-сурьмянистый сплав. Такие токоотводы можно найти в обслуживаемых АКБ. Применение сурьмы позволило сделать сплав более текучим, а значит, удобным для использования в процессе литья. Помимо этого, свинцово-сурьмянистый сплав хорошо проводит ток. Но есть и недостатки: наличие в сплаве сурьмы усиливает процесс газовыделения и приводит к повышенной потере воды в АКБ. Именно поэтому в такой аккумулятор необходимо регулярно добавлять воду.
Со временем появились и необслуживаемые аккумуляторы, в которых содержание сурьмы было снижено, а доля других добавок, наоборот, увеличена (добавки олова, мышьяка, серебра). Это позволило сохранить высокие литьевые свойства сплава и повысить его коррозионную стойкость.
Свинцово-кальциевый сплав, который стал использоваться со временем для производства стационарных аккумуляторов, не нашел широкого применения в автомобильных АКБ. Главным образом это обусловлено быстрым снижением емкости заряда. Однако в необслуживаемых гелевых аккумуляторах для производства отрицательных решеток использовался сплав свинца и кальция, а для производства положительных — малосурьмянистые сплавы. Со временем производители стали добавлять в сплав свинца и кальция олово, что улучшило свойства отрицательных токоотводов и позволило использовать при производстве технологию непрерывного литья.
Современный тренд
Говоря о свинцово-кислотных аккумуляторах, важно отметить, что свинцовые сплавы небезопасны для человека и окружающей среды. Добавки, которые содержатся в таких сплавах (сурьма и мышьяк), при химическом взаимодействии или в условиях избыточного заряда могут способствовать образованию токсичных газов. Во многом именно этим обусловлен тот факт, что при изготовлении свинцово-кислотных аккумуляторов производителям приходится использовать все больше автоматизированных операций.
В целом же современное состояние «аккумуляторного» сегмента довольно очевидно. Достаточно вспомнить о том, что одним из глобальных мегатрендов автомобилестроения является стремительный рост производства электромобилей. Именно поэтому усилия разработчиков АКБ в основ-ном направлены на улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов или АКБ из других сплавов, подходящих для использования в электрокарах и гибридах.
Сколько кг свинца содержится в аккумуляторе на 55 ампер
Современные автомобильные аккумуляторы содержат свинец, сдав который, можно неплохо заработать, что позволяет несколько сократить затраты автовладельца на покупку новой батареи в автомобиль. Из соответствующих таблиц можно с легкостью определить, сколько свинца в аккумуляторе 55 и как добыть такой дорогостоящий металл, который можно в последующем сдать в пункты вторсырья.
Для чего извлекают свинец из АКБ
В первую очередь необходимо определиться с тем, для чего же извлекают из аккумуляторов свинец. Этот металл сплав хорошо ценится в пунктах приема цветных металлов, что позволяет даже с одного автомобильного аккумулятора получить неплохую денежную сумму. Свинец — это тяжеловесный металл, который используется многими рыболовами для изготовления грузил и различных снастей. Поэтому редко какой рыбак откажется от возможности самостоятельно разобрать АКБ и найти необходимый ему дорогостоящий тяжёлый металл.
Также старые свинцовые пластины-электроды используют для изготовления простейших аккумуляторов и источников питания различных устройств и бытовых приборов. Этот металл может перетираться в стружку, после чего его добавляют в краску или лаки, что не только позволяет придать поверхности оригинальную текстуру, но и обеспечивает максимально возможную стойкость, устойчивость к ультрафиолету и механическую прочность.
Устройство автомобильных аккумуляторов
Большинство людей уверены, что находящиеся внутри аккумулятора пластины-электроды выполнены из чистого свинца. Однако в действительности чистого металла в них содержится не более 20% от общей массы сплава. Оставшийся вес — это оксиды и различные металлы.
Поэтому со стандартного автомобильного аккумулятора удается добыть двух-трехкилограммовый слиток дорогого металла.
Необходимо лишь определиться с тем, сколько килограммов свинца в аккумуляторе 60 ампер, а исходя из этого, и можно будет рассчитать полученное количество дорогого металла.
В процентном соотношении состав автомобильного АКБ будет выглядеть следующим образом:
- Электролит — около 20% от общей массы АКБ.
- Пластиковый корпус, перегородки и другие элементы из пластика — не более 10% всей массы.
- Свинец, диоксиды, оксиды и другие сплавы — около 60% веса.
Для большей наглядности, чтобы определиться тем, сколько свинца в автомобильном аккумуляторе, можно рассмотреть состав 55-амперной автомобильной батареи. Стандартный вес такой АКБ не превышает 15 кг. Пластика тут около 1,5 кг, 3 кг электролита и 10 кг металла. Чистого металла в АКБ будет содержаться не больше 3 кг.
Следует учитывать также тот факт, что полностью выплавить ценный металл из электродов бывает затруднительно, соответственно количество получаемого свинца будет ещё ниже.
Содержание этого ценного металла во многом зависит от мощности аккумулятора и его емкости. Если в 55-амперной АКБ будет содержаться около 3 кг чистого свинца, то уже в мощной батарее для грузовых автомобилей, которая выдает ток на уровне 150−190 Ампер-часов, может содержаться 9 кг этого металла. Исходя из данных таблиц можно с легкостью рассчитать, сколько килограммов свинца, который можно выплавить из электродных пластин, в аккумуляторе 55.
Как разобрать старую батарею
Изначально разборными были лишь аккумуляторы, которые изготавливались в Советском Союзе. Делалось это для того, чтобы у автовладельцев имелась возможность отремонтировать АКБ, заменив те или иные вышедшие из строя элементы.
А вот на западе наибольшей популярностью пользовались необслуживаемые аккумуляторы, которые не подразумевали возможности разборки батарей.
Большинство используемых сегодня аккумуляторов относятся к категории необслуживаемых, соответственно появляются определенные проблемы с тем, чтобы разобрать старую АКБ.
Для такой работы потребуется следующее:
- Защитные очки и резиновые перчатки.
- Лобзик по металлу.
- Пассатижи.
- Болгарка.
- Плоская отвертка.
- Молоток.
- Зубило.
- Паяльник высокой мощности.
- Дрель.
Выполняя такую разборку старого АКБ, необходимо соблюдать максимальную осторожность. Внутри батареи находится электролит, который при попадании на кожу или слизистые может вызвать химические ожоги. Поэтому следует обязательно надевать очки и защитные резиновые перчатки. Проделав соответствующие отверстия в банках, следует обязательно слить электролит и промыть дистиллированной водой батарею, в которой может также остаться соляная кислота.
Чтобы слить электролит, потребуется выкрутить пробки, а если таковые в АКБ отсутствуют, то самостоятельно дрелью выполняется отверстие, через которое и сливается жидкость. Такие отверстия для слива электролита лучше всего выполнять снизу аккумулятора, что позволит, не наклоняя батарею и не поднимая со дна выпавший осадок, слить всю соляную кислоту.
После промывки банок чистой водой следует, вооружившись лобзиком или болгаркой, отпилить крышку по периметру корпуса батареи. Достают крышку, на которой будут закреплены аккумуляторные пластины.
Если крышку и пластины держат приводные клеммы, то потребуется вручную с помощью молотка или зубила извлечь металлические электроды.
Самостоятельное получение свинца
Свинец плавится при невысоких температурах, соответственно провести выплавку этого металла из аккумуляторных электродов можно в домашних условиях на электрической или газовой плите. Однако в таких условиях можно расплавить металл, который находится в чистом виде. То есть потребуется использовать решетку, мостики и клеммы от АКБ.
А вот если требуется расплавить пластины и получить из них чистый свинец, то следует работать на температурах около 1000 градусов и использовать специальные химические реагенты.
Именно по причине такой сложности выплавки свинца в домашних условиях получить из аккумулятора даже несколько килограммов этого чистого тяжелого металла будет затруднительно. Поэтому зачастую бывает куда проще и выгоднее сдать старый аккумулятор в соответствующие пункты приёма вторсырья или специализированные компании, а не пытаться самостоятельно разобрать и выплавить дорогостоящий металл из электродов и других элементов АКБ.
Целесообразно ли выплавлять свинец самостоятельно
До недавнего прошлого сдать аккумулятор в переработку было затруднительно, поэтому многие экономичные автовладельцы самостоятельно позанимались разборкой АКБ и последующей сдачей дорогостоящего металла в пункты вторсырья. Сегодня же можно с легкостью сдать аккумулятор в специализированные конторы и не заниматься самостоятельно трудоемкой работой по выплавке свинца, тем более что в домашних условиях провести качественную очистку металла будет проблематично.
Современные АКБ в зависимости от своего типа, ёмкости и мощности могут содержать от 1 до 10 кг свинца. Если отдельные элементы полностью состоят из этого дорогостоящего металла, и переплавить их самостоятельно в домашних условиях не представляет сложности, то вот расплавить пластины, где свинец содержится в оксидах и гидроксидах, бывает затруднительно.
Поэтому проще всего сдать аккумулятор в пункты приема вторсырья, что позволит не только избавиться от необходимости сложной переплавки металла, но и получить неплохое денежное вознаграждение.
Какой металл находится в аккумуляторе?
Натрий Натрий (Na) — мягкий, серебристый, химически активный металл, который принадлежит к группе шести элементов с одним электроном на внешней оболочке. Теряя электрон, атом натрия становится положительно заряженным.
Какой ценный металл в аккумуляторе?
Аккумуляторы как ценный вид металлолома Большинство современных аккумуляторных батарей изготавливается с использованием свинца. Это цветной металл, который пользуется спросом на вторичном рынке. Масса отработавших АКБ на 60-70% образована свинцовыми пластинами и ее компонентами.
Как определить тип автомобильного аккумулятора?
первые три цифры определяют ёмкость АКБ, для определения ёмкости нужно из значения первых трех цифр вычесть число 500; последние две цифры определяют тип аккумуляторной батареи.
Какие бывают типы аккумуляторов?
Виды аккумуляторов
- аккумуляторы щелочные;
- литий-ионные АКБ;
- литий-полимерные аккумуляторы;
- гелиевые аккумуляторы;
- свинцово-кислотные АКБ;
- Никель-металл-гибридные аккумуляторы;
Какой аккумулятор лучше купить?
Рейтинг лучших автомобильных аккумуляторов 2020
| Категория | Место | Наименование |
|---|---|---|
| Лучшие кальциевые аккумуляторы | 1 | Mutlu SFB 3 |
| 2 | VARTA D59 Blue Dynamic | |
| 3 | Тюмень Premium 6СТ-60 | |
| 4 | Exide Premium EA612 |
Какие применяются виды активных веществ в аккумуляторных батареях?
Точно также и в современном свинцово-кислотном аккумуляторе активными веществами являются свинец и двуокись свинца, а электролитом — водный раствор серной кислоты.
Что ценного в аккумуляторе?
Самое ценное в батареях — это свинец, на производство одного аккумулятора необходимо примерно 15 кг свинца, а это около 1500 рублей, если покупать свинец новый. … Покупка старых аккумуляторов, достаточно выгодное начало бизнеса без больших вложений и рисков.
Что ценного в щелочном аккумуляторе?
Щелочной аккумулятор — что это? Щелочными они называются из-за типа электролита. Обычно в его состав входят щелочные растворы металлов — и это вне зависимости от типа аккумулятора или его предназначения. Как правило, это железо с добавлением никеля, но встречаются и варианты с наличием других примесей.
Какая разница между гелевым и кислотным аккумулятором?
Если булькает — значит электролит внутри аккумулятора жидкий — а значит аккумулятор кислотный; если нет значит в аккумуляторе электролит гелеобразный — соответственно и аккумулятор у вас в руках — гелевый.
Как проверить дату выпуска акб?
Год выпуска аккумулятора наносят вверху его корпуса. Там можно найти шестизначный код. Первая цифра – номер линии, вторая – год производства, затем идет пара цифр – месяц, а две последних цифры – число. Расшифровка: аккумулятор изготовлен на первой сборочной линии 18 июля 2012 года.
Что означают выбитые цифры на аккумуляторе?
У российских производителей аккумуляторных батарей зачастую все просто – на корпусе выбит код в виде даты производства этого АКБ. У брендов Тюменский медведь, Ямал, Batbear выбито шесть цифр в виде XXXXXX, где первые две цифры означают номер месяца, а последние четыре – год.
Как устроен аккумулятор кратко?
АКБ состоит из шести 2-вольтовых элементов, что составляет в сумме напряжение 12 вольт. Отрицательные электроды состоят из губчатого свинца, а положительные — из двуокиси свинца. Когда к аккумулятору подключают нагрузку (замыкают цепь), активное вещество начинает взаимодействовать с электролитом.