Альтернативы кобальту

Когда Джон Гуденаф создал первый перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор в Оксфорде в 1980-м [точнее, разработал катод для него / прим. перев.], ему понадобился кобальт. Эксперименты уже показали, что этот металл обладает большой плотностью энергии и идеально подходит для маленьких батареек, требующих много энергии. Поэтому Гуденаф добыл кобальт самостоятельно, разогревая прекурсоры до очень высоких температур.

Сегодня кобальт присутствует в большинстве коммерческих литий-ионных аккумуляторов – но за это приходится платить. Да, этот серебристый металл стоит дорого. Но у него есть и более мрачная цена: длинная история нарушения прав человека, включая использование детей на горнодобывающих работах, связанных с производством металла в Демократической республике Конго. Компании, производящие электронику и электромобили, не хотят расплачиваться за это и демонстрировать свою причастность к этим зверствам, поэтому они пытались урезать количество используемого кобальта. Компания Panasonic, поставщик батареек для Tesla, в июне объявила о разработке батарей, которым не требуется кобальт. Они заручились помощью учёных: Гуденаф и другие специалисты уже разработали перезаряжаемые аккумуляторы, которым не требуется кобальт.

У батареек есть анод, плюсовой конец, обычно использующий графит, и катод, отрицательный конец, содержащий комбинацию из лития, кобальта и кислорода. Скорее всего, вы читаете этот текст с устройства, содержащего такую батарею. В электромобилях катод обычно содержит больше никеля, чем более мелкие устройства – что уменьшает давление на цепочку поставок кобальта, но такие аккумуляторы обычно стоят дороже и подвержены большему риску самовозгорания в самолётах, как в печально известном устройстве Samsung Galaxy Note 7. Электроны на внешней орбите атома кобальта спарены, что означает, что он маленький, плотный, и легко формирует слои.

Но новая волна исследователей аккумуляторов, включая и Гуденафа, переходят к таким материалам, как марганец и железо. Вместо слоёв эти элементы скрепляются в структуру, напоминающую каменную соль. Катоды из «каменной соли» уже используются в некоторых устройствах, но пока им не достаёт такой же высокой плотности энергии, как кобальту или никелю.

Исследователи и компании пытаются найти альтернативы. «Кобальт дорог, и люди будут стараться его не использовать», — говорит Гуденаф, до сих пор работающий профессором инженерии в Техасском университете. За последние два года стоимость кобальта выросла в четыре раза, и хотя львиную его долю используют карманные электронные устройства, аккумуляторам электромобилей потребуется почти в 1000 раз больше кобальта, чем телефону. А с учётом антропогенного изменения климата всё больше людей меняют двигатель внутреннего сгорания на электрический. И если для планеты эта тенденция может быть полезной, то цены на кобальт продолжают расти.

Кобальт – это побочный продукт производства других металлов, таких, как никеля и меди, но он также существует в земной коре и самостоятельно, и шахты по его добыче по большей части находятся в Конго. В 2016 году газета Washington Post провела расследование малоизвестной до этого цепочки поставок кобальта, и раскрыла практику использования детского труда и дефицит необходимого оборудования.

Конечно, есть ещё один способ избежать опасностей добычи руды: повторное использование. Но литий-ионные аккумуляторы живут так долго, что в следующие 10 лет количество людей, покупающих их, опередит количество людей, избавляющихся от них, поясняет Эльза Оливетти, профессор, изучающий источники энергии в MTI. В прошлом октябре она опубликовала работу с заключением, что поставки кобальта придётся очень быстро повышать, чтобы удовлетворить спрос в следующие пару лет, особенно с увеличением количества электромобилей. Несмотря на прогресс в разработке катодов и добыче кобальта, наблюдавшийся в последние восемь месяцев, «Я думаю, что общий вывод состоит в том, что нам придётся хорошенько задуматься о кобальте», — пишет она. «Но люди и так начали этим заниматься», разрабатывая катоды со стабильными веществами с высокой плотностью энергии, вроде фосфора и железа.

Но исследователи ищут способы выйти за рамки слоистых аккумуляторов и аккумуляторов типа «каменная соль» – они разрабатывают твердотельные аккумуляторы. Им может понадобиться больше лития, но не обязательно кобальт, и они будут гораздо безопаснее современных литий-ионных батарей. Автомобильные компании, например, BWM, Toyota и Honda, занимаются исследованием таких аккумуляторов, но Оливетти считает, что эта технология будет готова для выхода на рынок не раньше 2025 года. А до тех пор компании будут пытаться смягчить влияние кобальтовых аккумуляторов. Такие компании, как Apple и Samsung, присоединились к инициативе "Ответственный кобальт", призванной обратиться к худшим социальным и экологическим последствиям цепочки поставок. Недавно Apple начала покупать кобальт напрямую у шахтёров, чтобы гарантировать поставщикам достижение приемлемых стандартов труда на их рабочих местах.

Гуденаф всё ещё работает с кобальтом, хотя ему уже 96 лет. И хотя он разработал аккумулятор, работающий без кобальта, он не считает, что дни батареи, проводимые в миллиметре от наших ушей, сочтены. Он говорит, что хотя стоимость кобальта высока, его изначальная схема литий-ионных аккумуляторов всё ещё достаточно хороша [фамилия изобретателя Goodenough состоит из двух слов, good enough, что означает «достаточно хорошо» / прим. перев.].