Что делает кобальт в литиевых батареях?

Этой истории уже больше, чем двести лет. Все началось с экспериментов Алессандро Вольты с электричеством. В итоге великий итальянец пода­рил миру вольтову дугу и концепцию носимого электричества, получа­е­мо­го электрохимическим способом. Сначала, правда, путешествовать с «воль­то­вым столбом» (так называлось применявшееся на заре элек­тро­техники устройство для получения электричества) никто не со­би­рался. И неудобно, и девать это электричество некуда — до изо­бретения мо­биль­ных те­ле­фо­нов оставалось два столетия. Да и медно-цинковые ис­точники тока по своим экс­плу­а­та­ци­онным характеристикам не получили и не могли получить широкого распространения.

Мало кто знает (даже в Википедии нет русскоязычной страницы), что только благодаря работам Джона Фредерика Даниэля гальванические элементы получили реальный шанс войти в наш быт. Именно ему пришла в голову идея изолировать анодный и катодный электролит с тем, чтобы избежать выделение водорода в процессе химического получения электрического тока.

Хотя элемент Даниэля и вызвал исследовательский интерес в поисках новых форм электролитического взаимо­действия, но уже само его появление наполняло практическим смыслом лабораторные работы. Только что по­явив­шу­юся лампу накаливания запитывали именно от гальванических батарей.

Наши дни

Все дальнейшие изыскания закономерно приводили к использованию в элементах питания лития, как самого ак­тив­но­го в электрохимическом ряду напряжений металлов. Но настоящим прорывом стало построение анодного электрода литий-ионных аккумуляторных батарей на основе графита. Его кристаллическая решетка выступает в роли матрицы, где ио­ны лития взаимодействуют с углеродом в процессе заряда батареи и ее разряда (так на­зы­ва­емая интеркаляция ли­тия и деинтеркаляция соответственно).

Катодный электрод литий-ионного аккумулятора в большинстве слу­ча­ев выполняется из соединений кобальта, как правило, — из кобальтата лития LiCoO₂.

Не без того, правда, что из-за высокой цены кобальта индустрия постоянно ищет ему замену. Известны успешные эксперименты по использованию в катодах литий-ионных аккумуляторов его сплавов алюминием, марганцем, ни­ке­лем для создания более экономичных решений с приемлемой энергоплотностью. Существуют даже беско­баль­то­вые батареи с литий-железофосфатной электрохимией. Но кобальт, как был лучшим катодным материалом для коммерческих литий-ионных аккумуляторов, так им и остаётся.

На повестке дня у производителей аккумуляторных батарей для смартфонов, ноутбуков и аудио-видео техники постоянный запрос на поставки этого ферромагнетика. На сегодня его добыча из недр остается единственным источником сырья: повторное использование кобальта из отработанных литий-ионных и литий-полимерных ак­ку­му­ля­то­ров ограничена. Процесс утилизации только набирает ход, но даже при достаточных объемах вторичного сырья извлечение кобальта проблематично из-за сложности и дороговизны электрохимического процесса.