Ж У Р Н А Л
НИКЕЛЬ
ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г.
Никель — лидер электрического заряда Никель в перезаряжающихся авиационных аккумуляторных батареях
Поговорим об аккумуляторах. Интервью с д-ром Стенли Уиттингемом
Никель промышленной чистоты — исключительная коррозиестойкость
КОМПАНИЯ MODJESKI AND MASTERS
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 29 МЕМОРИАЛЬНЫЙ МОСТ МЕЖДУ ШТАТАМИ АЙОВА И ИЛЛИНОЙС
АГЕНТСТВО ISSDA
Это одна из самых больших совместных инвестиций в истории штатов Айова и Иллинойс. Каковы же были главные приоритеты этого проекта стоимостью 1 млрд долларов США? Это и строительство моста со сроком эксплуатации в 100 лет, и возведение крупнейшей достопримечательности, которая сможет преобразить и украсить собой прибрежную зону района Квад-Ситис.
В арках совместно используются две марки никельсодержащей стали ASTM A709 HPS7OW и ASTM A709 HPS50W с системой фторполимерного изоляционного покрытия. Крепёжные и соединительные гайки произведены из дуплексной нержавеющей стали марки 2507 (UNS S32750) с пределом текучести 116 тыс. фунтов на кв. дюйм, что способствует снижению потребности в техобслуживании и продлевает срок эксплуатации арок. Самопассивирующаяся сталь без покрытия применена в конструкции перекрытий. Нержавеющая сталь также использована в арматурном профиле и проезжей части моста.
«НИКЕЛЬ», т.т. 38, 38, № № 3, 3, 2023 2023 г.г. 22 || «НИКЕЛЬ»,
Старые спаренные мосты уже не могли эффективно справляться с постоянно растущей транспортной нагрузкой в этом оживлённом регионе. Первый мост был возведён в тридцатых годах прошлого века, а затем в 1959 г. построен его двойник. В их конструкции не были предусмотрены обочины, а ширина дорожных полос не отвечала современным требованиям безопасности. Совместными усилиями отделов транспорта штатов Айова и Иллинойс, а также компаний по инфраструктурному и инженерному проектированию Alfred Benesch and Company и Modjeski and Masters был разработан проект стального истинного купола — коробовой арки (это свод, представляющий собой в поперечном сечении полуовал) с минимальным количеством монтажных распорок. Компания Lunda Construction Co., генеральный подрядчик, приступила к строительству в 2017 г., а в конце 2021 г. мост был введён в эксплуатацию. Необходимость сохранения бесперебойного транспортного потока между двумя штатами требовала сложной поэтапной организации процесса и применения
уникальной строительной технологии. Для осуществления строительства, зажатого между двумя мостами, компания Lunda задействовала два свободностоящих башенных поворотных крана высотой 400 футов, самых высоких из всех, что когда-либо использовались для строительства мостов на Среднем Западе. Возведение моста, представляющего собой коробовые арки высотой 245 футов, требовало использования высококачественных материалов и новаторских технологий. Для сборки арок компания-производитель Industrial Steel Construction сконструировала на своём производстве в Гэри, штат Индиана, 30 сварных стальных коробчатых профилей для каждого из двух пролётов моста. Секции с арочным сечением были погружены на баржи и автоплатформы и доставлены в Квад-Ситис. В общем на два пролёта пошло более 35 тыс. тонн строительной стали. Этот качественно новый проект получил высшее признание на американском конкурсе лучших проектов в области транспорта America’s Transportation Awards.
КОЛОНКА РЕДАКТОРА: НИКЕЛЬ — ЛИДЕР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА Виктор Гюго как-то сказал: «В мире нет ничего более могущественного, чем идея, время которой пришло». И технология аккумуляторов, особенно её роль в переходе к электрическому будущему — это как раз и есть такая идея. Именно этими словами д-р Парвин Адели (Dr. Parvin Adeli), эксперт Института никеля в области аккумуляторных батарей, открыла в июле 2023 г. «День аккумуляторной батареи» Института никеля. Подробнее об этом мероприятии рассказывается на стр. 5. «День аккумуляторной батареи» — богатейший источник новейшей информации о никельсодержащих аккумуляторах и источник вдохновения для этого выпуска журнала «Никель». Содержащие никель аккумуляторные батареи диктуют будущее хранения и транспортировки энергии, они дают толчок более экологичному и взаимо-
ДЖОН ГУДИНАФ АКИРА ЙОШИНО (JOHN B. GOODENOUGH) (AKIRA YOSHINO)
связанному миру. На химические вещества, основой которых является никель, приходится почти две трети ёмкости аккумуляторов ИЛЛЮСТРАЦИИ КОМПАНИИ EVIATION
в секторе электромобилей, причём новые транспортные области их использования постоянно продолжают появляться. Нет предела возможностям. Буквально! При почти 12%-ой
СТЕНЛИ УИТТИНГЕМ (STANLEY WHITTINGHAM)
эмиссии парниковых газов, приходящейся на транспорт, в центр внимания попадает авиация. Может ли в будущем авиатранспорт, работающий на аккумуляторных батареях, стать обычным явлением? В этом выпуске мы анализируем как достижения, так и сложности, возникающие в поиске решений для электрификации авиации.
В 2019 г. д-ру Джону Гудинафу, д-ру Акира
Д-р Стенли Уиттингем (Dr. Stanley Whittingham) рассказывает о собственном пути в
Йошино и д-ру Стенли Уиттингему была
исследовании аккумуляторных батарей, начиная с 1970 г., и об открытиях, приведших
присуждена Нобелевская премия по химии за
его к Нобелевской премии по химии в 2019 г. за разработку литий-ионных аккумуля-
работу по созданию литий-ионных
торов. Его работа совместно с работой его коллег-лауреатов д-ра Джона Гудинафа (Dr.
аккумуляторных батарей.
John Goodenough) и д-ра Акира Йошино (Dr. Akira Yoshino) во многом составляет основу аккумуляторной технологии сегодняшнего дня. Конечно же, и темой нашей просветительской серии «Почему никель?» тоже являются аккумуляторные батареи! Хотя аккумуляторы — главная тема этого выпуска журнала «Никель», мы не забываем и о других областях применения никельсодержащих материалов. Перейдите к последней странице, и вы узнаете о поразительном проекте Salmon Eye («Глаз лосося»), задуманном для того, чтобы стимулировать интерес к экологически чистым морепродуктам и объяснить, как ими можно обеспечить весь мир. Ещё одна идея, чьё время пришло. Клэр Ричардсон Редактор журнала «Никель»
«НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г. | 3
02
Пример из практики № 29 Мемориальный мост между штатами Айова и Иллинойс
03
Колонка редактора Никель — лидер электрического
НИКЕЛЬ
ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ
СОДЕРЖАНИЕ
заряда
04 06
Никель. Занимательные факты Электрическая авиация Приближаясь к скорости отрыва?
09
Твёрдотелые аккумуляторы в электромобилях
10
Поговорим об аккумуляторах
Никель промышленной чистоты
Как помочь водородному топливному элементу
Технические вопросы и ответы
Это важный шаг на пути к более чистым, экономичным и эффективным водородным
Интервью с д-ром Стенли Уиттингемом
13 14 15 15
Никелевые сплавы
Почему никель? Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов
16
Проект Salmon Eye Плавающая инсталляция
топливным элементам. Группа исследователей Китайского университета науки и технологии (University of Science and Technology of China (USTC)) разработала анодный катализатор для анионообменной мембраны топливного элемента на основе никеля (anion-exchange membrane fuel cell (AEMFC)), обладающей высокой резистентностью к аммиачной (NH3) токсичности. Катализаторы из платины на углеродных носителях (Pt/C) продемонстрировали восприимчивость к аммиачному отравлению, которая ведёт к ухудшению рабочих параметров. Исследователи смогли решить эту проблему путём повышения концентрации электронов вокруг центров нахождения никеля и введения хрома в никель-молибденовый (MoNi4) сплав, предназначенный для эффективного ката-
Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org Авторы статей: Парул Чхабра (Parul Chhabra), Гари Коутс (Авторы статей: Парвин Адели (Parvin Adeli), Гари Коутс (Gary Coates), Ричард Матесон (Richard Matheson), Колин Маккей (Colin Mackay), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией. ISSN 0829-8351 Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Графические материалы предоставлены: Обложка: iStock©Just_Super стр. 13. изображения Shutterstock©Lakeview
4 | «НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г.
исследований опубликованы в журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society).
ЖУРНАЛ АМЕРИКАНСКОГО ХИМИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА (JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY) (2023). DOI: 10.1021/JACS.3C06903
лиза окисления водорода, что значительно ослабило адсорбцию аммония. Результаты
Золотое открытие КОМПАНИЯ UNSPLASH+
Физики Венского университета технологии (Vienna University of Technology) обнаружили, что золото-никелевые сплавы обладают великолепными термоэлектрическими свойствами, которые могут использоваться для эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую. Уникальное сочетание этих металлов позволяет добиться высоких показателей электропроводности и коэффициента Зеебека, превышающих показатели обычных полупроводников. Смешав магнитноактивный металлический никель с благородным золотом, они смогли коренным образом изменить электронные свойства сплава. КПД термоэлемента начинает быстро расти, как только исчезает желтоватый цвет золота после добавления никеля
Изрядная доза витамина С
(около 10%). Из-за особых электронных свойств атомов никеля положительные заряды рассеиваются сильнее, чем отрицательные, что приводит к требуемому дисбалансу и создаёт высокое термоэлектрическое напряжение. Фабиан Гармруди (Fabian Garmroudi), первый автор этого исследования, объяснил: «При такой же геометрической конфигурации и заданном температурном перепаде можно сгенерировать электрическую мощность, в разы превышающую мощность любого другого известного материала». В будущем высокая удельная мощность сможет приводить в действие приборы повседневного пользования в широком спектре областей и откроет двери другим многообещающим экономически эффективным металлическим сплавам для применения в теплоэнергетике.
То, что хорошо для здоровья человека, как оказалось, является и эффективной составляющей возврата в оборот отработанной автомобильной аккумуляторной батареи. Учёные Бирмингемского университета (University of Birmingham) разработали метод отделения ценных материалов с помощью аскорбиновой кислоты. Для проверки этого метода аккумуляторные элементы автомобиля Nissan Leaf с отработанным ходом не менее 40 тыс. миль были обработаны выщелачивающим агентом — органическими кислотами, такими как аскорбиновая (витамин С). Результаты исследования, опубликованные в ChemRxiv, показали, что аскорбиновая кислота избирательно выщелачивает малоценный материал в электродах (оксид лития-марганца), оставляя более ценный никель- и кобальтосодержащий материал в твёрдом состоянии, из которого его можно напрямую извлечь и пустить в повторный
ЖУРНАЛ THE DAILY SCIENCE
оборот. Этот теперь запатентованный процесс менее энергоёмок и использует менее опасные химически вещества, чем те, что применяются при нынешних методах переработки.
Мощная презентация В июле 2023 г. Институт никеля объединил ряд самых светлых умов из мира аккумуляторных батарей, призвав их поделиться своими знаниями и опытом в последних достижениях в области технологий никельсодержащих аккумуляторных батарей. Восемь экспертов-докладчиков, в том числе нобелевский лауреат по химии профессор Стенли Уиттингем (Professor Stanley Whittingham) и д-р Джефф Дан (Dr. Jeff Dahn), главный исследователь и получатель гранта альянса NSERC/Tesla Canada в Университете Далхаузи (Канада), проанализировали существующие технологии никельсодержащих аккумуляторных батарей, обсудили появляющиеся новые области использования и роль повторного оборота аккумуляторов. Сводный отчёт «Дня аккумуляторной батареи» теперь доступен на сайте Института никеля. Проведение следующего «Дня аккумуляторной батареи» назначено Институтом никеля на 6 июня 2024 г. www.nickelinstitute.org
«НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г. | 5
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АВИАЦИЯ. ПРИБЛИЖАЯСЬ К СКОРОСТИ ОТРЫВА? В борьбе за снижение выбросов парниковых газов, практически все транспортные отрасли проводят исследования и развёртывают парк транспортных средств, работающих не на ископаемых, а на альтернативных видах топлива. Главенствующую роль в этом играет энергия аккумуляторных батарей, особенно широко применяемая дорожным транспортом. До сих пор авиационная отрасль была относительно невосприимчива к этим изменениям, хотя на её долю уже приходится до 12% транспортных эмиссий. После окончания пандемии стал быстро расти спрос на воздушный транспорт — как на пассажирский, так и на грузовой. Если не предпринимать меры по уменьшению воздействия выбросов парниковых газов на окружающую среду, то их уровень скорее всего увеличится. Из этого следует, что давление на авиацию растёт, и этой отрасли просто необходимо снизить своё воздействие на экологию путём перехода на альтернативные источники энергии.
Требуется радикальное перепроектирование
Эта сторона вопроса считается особенно
До сих пор в этом секторе предпочтение
сложной, поскольку вес аккумуляторов
отдавалось исследованию возможно-
не уменьшается по мере потребления
стей таких видов энергии, как энергия
энергии, в отличие от ситуации с потре-
водорода и экологически чистого
блением реактивного топлива. Однако
авиационного топлива. В какой-то мере
следует отметить, что это утверждение в
это отражает существующую инерцию
некоторой степени некорректно, так как
рынка. Ещё бы, ведь авиатранспортная
использование электроэнергии может
индустрия — это уже давно сложившаяся
привести к экономии в весе в ряде других
отрасль: производители оригинального
аспектов, связанных с авиацией.
оборудования конструируют корпуса КОМПАНИЯ PIPISTREL
самолётов, совместимые с традиционными авиадвигателями, работающими на реактивном авиационном топливе, а производители авиамоторов выпускают энергоблоки, совместимые с современными корпусами летательных аппаратов. Самолёт Pipistrel Velis Electro — первая всемирная сертификация лётной годности самолёта полностью электрического типа и важный этап в создании экологически чистой авиации.
Переход на силовые электроустановки потребовал бы радикального перепроектирования конструкций коммерческих авиалайнеров, что затратно и по деньгам, и по времени.
Агентство безопасности полетов Европейского Союза
6 «НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г3
которая могла бы компенсировать их вес.
Доказательство концепции Итак, есть ли место для аккумуляторной энергии в авиации? Ясно, что ответ положительный — да. И действительно, когда речь идёт о лёгких летательных аппаратах, использование электроэнергии уже является свершившимся фактом. Лёгкое одномоторное двухместное воздушное судно Pipistrel Velis Electro сертифицировано для работы в Европе ещё с 2020 г. Внешне оно почти не отличается от обычного лёгкого воздушного корабля, но
Другая причина состоит в том, что многие
две высокоэффективных аккумулятор-
считают, что аккумуляторы не обладают
ных батареи позволяют ему находиться
необходимой удельной энергоёмкостью,
в воздухе в течение 50 минут (а если одна
из них сломалась, самолёт может лететь
Бурный рост
и на одном аккумуляторе). Тогда как
Почти все аккумуляторные батареи,
единственная сертификация первого
применяемые в уже эксплуатируемом
истинно электрического самолёта может ещё и не знаменовать собой коренной перемены в данной области, тем не менее она является важным доказательством жизнеспособности самой концепции. Она показала, что самолёты на аккумуляторных батареях, бесспорно, не только могут
В будущем доминирующую роль будет играть именно способность никеля
электрическом авиатранспорте или в
повысить удельную энергоёмкость
проектных разработках воздушных
аккумуляторной батареи.
судов, используют химические составы с высоким содержанием никеля для достижения высокой удельной энергии. В аккумуляторных батареях с высокой удельной энергией никель, как правило, используется в сочетании с кобальтом
Спецификации самолёта Joby JAS4-1 Тип воздушного судна: Tiltrotor eVTOL Посадочные места: пилот + 4 пассажира Максимальный стартовый
работать, но и работают. Это — стимул для
и либо с марганцом, (НКМ-никель-ко-
вес: 4800 фунтов
новых проектных решений.
бальт-марганец), либо с алюминием
Длина: 21 фут
В идеале следующим шагом должно стать
(НКА-никель-кобальт-алюминий). Эти
Размах крыла: 39 футов
увеличение удельной энергоёмкости аккумуляторных батарей. Увеличьте её — и в результате также увеличатся их ёмкость и эксплуатационные характеристики. Скорее всего, именно здесь роль никеля и будет расти. В настоящее время
металлы распределены по всему слою переходного металла в катоде и, действуя
Максимальная высота крейсерского полёта: 15000 футов Максимальная скорость крейсерского
сообща, усиливают характеристики
полёта: 170 узлов (200 миль в час)
работы батареи. Производители акку-
Дальность: минимум эшелонирования до
муляторов заметили, что повышение
150 миль на земле (130 миль в воздухе)
содержания никеля увеличивает ёмкость аккумуляторной батареи и общую удель-
Движущая сила: шесть электродвигателей, четыре на крыльях и два на V-образном хвостовом оперении.
никель используется в ряде приборов
ную энергоёмкость, однако вес аккумуля-
обычного самолёта — в частности, в
тора при этом значительно не возрастает.
с двойным резервированием, переменный
реактивных турбинах из суперсплавов,
Теперь, когда доказано, что применение
регулятор шага воздушного винта,
обеспечивающих исключительно высокие
электроэнергии аккумуляторной батареи
жаропрочность, коррозиестойкость и
в авиации имеет перспективы, подобные
термостойкость. В авиации будущего
разработки приведут к дальнейшему
доминирующую роль будет играть
бурному росту их использования.
именно способность никеля повысить
Фундаментальным является вопрос безопасности применения аккумуляторных
батареи.
батарей в авиации. Начало эксплуатации
наклон и охлаждение гондолы, а также двойную обмотку. Хранение энергии: четыре блока литийионных аккумуляторных батарей –jobyaviation.com
©JOBY AVIATION
удельную энергоёмкость аккумуляторной
Двигатели включают преобразователи
«НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г. | 7
которая требует наличия значительной инфраструктуры, такой как аэропорты. Несмотря на это, вряд ли традиционные силовые установки будут выводиться из эксплуатации в обозримом будущем, ведь электрические аккумуляторы пока ещё не могут служить их альтернативой. Однако в некоторых других условиях они всё-таки могут. Электродвигатели легче, КОМПАНИЯ MAEVE AEROSPACE B.V. © 2023
тише и надёжнее, в них меньше подвижных деталей, и вне зависимости от своих габаритов они обладают относительно постоянной весовой удельной тягой. В результате вариантом является использование не столько двигателей большего размера, сколько большего количества двигателей со значительно меньшими самолёта 787 Dreamliner компании Boeing, хотя и работающего на обычном топливе, было отмечено пожарами, вызванными термической нестабильностью литиевых батарей, которые использовались для бортового питания. Это представляет собой серьёзную проблему на земле, но ещё большей проблемой это является в полёте. В промышленности признают наличие
ограничениями на места их размещения в корпусе самолёта. А это означает, что реальностью становятся электрические летательные аппараты вертикального взлёта и посадки. Почти бесшумная работа двигателей открывает целый ряд потенциальных областей их применения — это и воздушное такси, и служба доставки, и неотложная помощь.
таких нежелательных явлений, поэтому
Свой интерес к выходу на рынок демон-
аккумуляторные батареи, сертифициро-
стрируют не только существующие
ванные для использования на воздушном
игроки, такие как Airbus и Boeing, но и
транспорте, должны демонстрировать
многие начинающие производители. В их
стойкость к термической нестабильности.
число входят Maeve (44–50 пассажиров) и
В случае, когда возгорание всё-таки про-
Eviation (девять пассажиров): они наме-
исходит, его очаг должен быть ограничен-
рены заняться производством самолётов
ным, и огонь не должен распространяться
региональных авиалиниий для полётов
на другие аккумуляторные батареи и тем
протяжённостью 250-330 морских миль. В
более на весь самолёт. К тому же любой
течение всего срока своей эксплуатации
потенциальный риск необходимо оцени-
ими будет использовано около 30 тонн и
вать в сопоставлении с риском, который
9 тонн никеля соответственно. В допол-
представляет собой перевозка большого
нение к этому американские компании
Maeve 01 — это первый в мире
количества легковоспламеняющегося
Joby Aviation и Archer Aviation, а также
электрический самолёт вместимостью
авиационного топлива.
44+, устанавливающий новый стандарт для экологически сбалансированного
Легче, тише и надёжнее
воздушного перелёта. При времени
С точки зрения рыночного потенциала
немецкий производитель Lilium разрабатывают проекты воздушных такси, как и Velis, производитель Pipistrel.
подзарядки всего лишь 35 минут,
авиационных аккумуляторов и использо-
Оценка полного рыночного потенциала
электросамолёт Maeve осуществляет
вания никеля важно не рассматривать эту
аккумуляторных батарей зависит от
быстрое и лёгкое выполнение полёта.
возможность единственно сквозь призму
целого ряда переменных, особенно числа
нынешнего их применения в авиации.
самолётов и используемых в них аккуму-
– Компания Maeve Aerospace B.V.
8 | «НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г.
Проектные решения обычных авиалай-
ляторов. Однако при растущем обще-
неров во многом ограничены их зависи-
ственном давлении снижать выбросы
мостью от всё более увеличивающихся в
парниковых газов и увеличивающемся
размерах, тяжёлых и шумных силовых
спросе на воздушный транспорт условия
установок (как правило, двух), и немалого
для никеля скорее всего многообещаю-
стоит их подготовка к эксплуатации,
щие.
КОНКУРИРУЯ ЗА ПРОИЗВОДСТВО ТВЁРДОТЕЛЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ Твёрдотелые аккумуляторные батареи (ТАБ) с катодом с высоким содержанием никеля в последние годы привлекают огромное и всё возрастающее внимание. Самым большим различием между обычными литий-ионными и всеми твёрдотелыми аккумуляторами является переход с жидкого электролита на твёрдый. Коммерческая привлекательность ТАБов — в их безопасности благодаря замене пожароопасных органических электролитов их твёрдыми аналогами. К тому же твёрдотелые аккумуляторы обладают более высокой удельной энергоёмкостью из-за использования в них анода из металлического лития, удельная энергия которого в десять раз превышает удельную энергию применяемого в литийионных аккумуляторах графита. Выбор электродного материала
обладают повышенной безопасностью. К
напрямую влияет на удельную
преимуществам твёрдотелых батарей
энергоёмкость аккумуляторных батарей
можно отнести и отсутствие некоторых
для электромобилей. В традиционном
дорогостоящих этапов их производства,
литий-ионном аккумуляторе обычно
таких как заполнение аккумулятора
используется катод из оксида
электролитом.
органический электролит, а типичным материалом для анода является графит. Однако с теоретической точки зрения, для лучшей удельной энергоёмкости самым предпочтительным анодным материалом является металлический литий. Его преимущество состоит в том, что он лёгок и обладает самым низким электродным потенциалом среди всех остальных элементов, а это означает, что аккумулятор сможет хранить большее
твёрдотелых батарей на электромобилях и уже выступили со смелыми заявлениями. Некоторые производители автомобилей с «твёрдыми» амбициями, в том числе Toyota, NIO, General Motors (GM), Nissan, Ford, BMW, объединяют свои усилия с производителями аккумуляторных батарей.
У обоих типов аккумуляторных батарей катод состоит из катодоактивного материала и электропроводного агента (например, с углеродной добавкой) и, возможно, связующего вещества (на полимерной основе). Поэтому использование анода из металлического лития в сочетании с катодом с высоким содержанием никеля делает ТАБы высокоэффективными. Твёрдотелые аккумуляторы укомплектованы высокомощными катодами с высоким
количество энергии.
содержанием никеля. А повышенная
Металлический литий химически
безопасность означает, что становится
очень активен, и если бы его стали
с другом в размещении практичных
КОМПАНИИ KIYOSHI OTA/BLOOMBERG© 2023 BLOOMBERG FINANCE LP
металлического лития, жидкий
Несколько компаний конкурируют друг
возможным использовать катоды со сверхбольшим содержанием никеля и
Прототип будущих аккумуляторных
тем самым обеспечить очень высокую
батарей для электромобилей компании
безопасностью. В отличие от литий-
удельную энергоёмкость аккумулятора.
Toyota Motor Corp., продемонстрированный
ионных аккумуляторных батарей
Конечно, везде царит ажиотаж по
все твёрдотелые батареи позволяют
поводу преимуществ твёрдотелых
интегрировать металлический литий,
аккумуляторных батарей, но не надо
поскольку в них жидкий электролит
забывать, что некоторые технические
использовать с жидким электролитом, то возникли бы большие проблемы с
(+ разделитель) заменён на твёрдый
сложности всё ещё ждут своих решений.
слой. Такой жёсткий слой препятствует
Путь на широкий рынок электромобилям
протечкам и снижает возможность
на ТАБах предстоит ещё долгий,
формирования нежелательных структур.
но игра стоит свеч. Твёрдотелые
Более того, по сравнению с жидкими
аккумуляторные батареи с большим
электролитами твёрдые обладают
содержанием никеля способны снять
более высокой термостойкостью.
опасения по поводу ограниченного
Это означает, что ТАБы могут иметь
запаса хода и облегчить переход к
более широкий спектр применения и
электромобилям.
на пресс-конференции, организованной накануне экспозиции Japan Mobility Show, проведённой в октябре 2023 г.
«НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г. | 9
ПОГОВОРИМ ОБ АККУМУЛЯТОРАХ — ИНТЕРВЬЮ С Д-РОМ СТЕНЛИ УИТТИНГЕМОМ Д-р Стенли Уиттингем (D-r Stanle y Whittingham), заслуженный профессор химии Государственного университета Нью-Йорка (SUNY) и лауреат Нобелевской премии по химии 2019 г. за новаторские исследования, ведущие к созданию литий-ионных аккумуляторных батарей. Эксперт в области аккумуляторов Института никеля д-р Парвин Адели (Dr. Parvin Adeli) встретилась с ним, чтобы поговорить о его долгой карьере в области исследования
СЕБАСТЬЯН ГОЛЛНОУ (SEBASTIAN GOLLNOW), AP IMAGES
аккумуляторных батарей и о перспективах на будущее. В.: Какова ваша личная история иссле-
включить — интеркалировать — ионы
дований в области аккумуляторов? Что
лития. Для некоторых приборов
привлекло ваше внимание к этой теме, что
компания Exxon производила небольшие
сподвигло заниматься ею на протяжении
аккумуляторы. Цены упали, Exxon
многих лет? Ещё в семидесятых годах двадцатого века возник интерес к электромобилям, электронным техническим новинкам, резервной памяти для разных устройств типа телефонов, но о грид-архитектуре речь тогда ещё не шла. В то время я работал на компанию Exxon, а им хотелось проявить себя в энергетике, а не в нефтепромышленности. Им
Д-р Стенли Уиттингем, лауреат Нобелевской премии в области химии, опубликовавший более 200 статей в ведущих научных журналах, обладатель
потерял к этому интерес и продал лицензию компании Sony. И тогда Sony создала литий-ионную перезаряжаемую аккумуляторную батарею для всех электронных гаджетов. Сейчас большинство таких систем содержит 80% никеля, 10% марганца и 10% кобальта. В.: Не думаете ли вы, что с вашей Нобелевской премией как-то не очень спешили?
хотелось и вести исследования в
Да, об этом много говорили. Джон
области электромобилей, и продолжать
Гуденаф (John Goodenough) стал самым
заниматься двигателями внутреннего
пожилым лауреатом Нобелевской
сгорания.
премии. Мы рады, что он прожил долго и успел её получить.
В.: Когда вы поняли важность для энерге-
16 патентов. Он известен как плодовитый
тического ландшафта вашего открытия
В.: С какими основными проблемами вы
учёный у себя в стране и во всём мире.
интеркаляции* (включения) ионов лития в
столкнулись при разработке литий-ионной
межслоевое пространство вещества-хозя-
аккумуляторной батареи?
ина? *Интеркаляция — обратимое включение молекулы или группы между другими молекулами или группами
Рано. Ведь наше первое исследование
10 «НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г3
Самая большая проблема состоит в том, что все изобретения сделали именно мы. Вся интеллектуальная собственность в этой области принадлежит Америке
было опубликовано в журнале
или Великобритании, но затем все
Science («Наука»), а попасть на его
разработки ушли в Азию, потому что
страницы не так-то легко. Тогда мы
европейцы и американцы не захотели
работали с двусернистым титаном,
инвестировать в то, чтобы научиться
на молекулярном уровне имеющем
всё это производить. Теперь же перед
пространства, в которые можно
нами стоит огромная проблема: у нас в
США нет ни канала поставок материалов,
попытаться достичь показателя 800-
ни обученных специалистов, ни
1000 циклов. Это означает создание
производственных мощностей. Мы только что получили 113 млн долл. США из федерального бюджета штата Нью-Йорк на организацию предприятия по изготовлению опытных образцов в старом здании IBM и 12 млн долл. США на подготовку кадров. Именно этого не хватает Северной Америке. В.: В настоящее время вы работаете над вопросами влияния ниобиевого покрытия/ замещения в катодных материалах с большим содержанием никеля. Как модификация с использованием ниобия влияет на общие рабочие характеристики аккумуляторных батарей?
более крупных аккумуляторов для электромобилей. Теоретически для катодов с высоким содержанием никеля удельная электроёмкость должна составить 1000 ватт-часов/кг. На самом деле в ячейке батареи она составляет 250 ватт-часов/кг, то есть мы получаем только 25%. Мы же хотим удвоить удельную электроёмкость и получить до 500 ватт-часов/кг. Часть наших исследований также финансируется армией США: в рамках этих исследований мы хотим выяснить, как поведут себя покрытые ниобием катоды из НКМ (никель-кобальт-марганец) при более высоких и более низких температурах.
Нам известно, что никель при атмосферных условиях и обладает хорошими рабочими характеристиками. Однако как только содержание никеля достигает 80%, его стабильность в воздушной среде нарушается. Это означает, что мы должны больше контролировать атмосферу, так
В.: Достаточна ли инфраструктура в Бингамтоне для достижения ваших целей? Нам выделено одно из немногих существующих в Университете сушильных отделений с мощностями для производства пакетов аккумуляторов. Я работаю в группе Battery 500. Это
как увеличивается взаимодействие
большой консорциум национальных
никеля с электролитом аккумулятора,
лабораторий и академических
то есть мы очень быстро теряем
институтов, который позволяет нам
разрядную ёмкость аккумулятора.
тесно сотрудничать. Мы будем ещё расти.
КОМПАНИЯ EVIATION
содержании 60% стабилен в
Мы начали стабилизировать никель при содержании 80% путём добавок
В.: Мы говорили о катодах, но электролиты
валентных элементов и обнаружили,
ведь тоже важны. Расскажите о ваших
что лучше всего работает ниобий. При
недавних исследованиях влияния различ-
90%-ном содержании никеля (NMC
ных электролитов на катоды с высоким
9055) мы добились нескольких сотен
содержанием никеля.
циклов, использовав при этом около 1% ниобия. А больше и не надо. Похоже, что ниобий останавливает растрескивание катодных частиц, и потерь ёмкости не наблюдается при количестве циклов, превышающем несколько сотен. Результаты исследования опубликованы в 2022 г. в нашей научной статье, находящейся в открытом доступе — «Электрохимическая характеризация и эволюция микроструктуры многослойных катодных материалов с большим содержанием никеля при покрытии/замещении ниобием» (Electrochemical characterization and microstructure evolution of Ni-rich layered cathode materials by niobium coating/ substitution). В.: Каковы следующие этапы исследования?
Одной из задач, которыми мы сейчас занимаемся в группе Battery 500, является стремление уйти от графитового анода, поэтому мы используем чистый металлический литий. Он не очень хорошо осаждается из карбонатного электролита, который в настоящее время используется в литийионных аккумуляторных батареях. Мы разработали новый электролит, состав которого на самом деле основан
Расположенная к северу от Сиэтла компания Eviation разрабатывает самолёт стандартного, а не вертикального типа взлёта.
на старом экксоновском (Exxon) электролите. Новый электролит — это органические эфиры с включённой в них новой солью лития — LiFSI. Эфир осаждает литий намного лучше, чем угольная кислота. Мы изучаем стабильность этих систем. Вступят ли они в реакцию с литием или никелем в высоком содержании? Вот мы и
Следующий этап — изучить поведение
приступили к изучению тепловой
при различных температурах и
стойкости. Сейчас главными целями
«НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г. | 11
нашей группы Battery 500 является
высоким содержанием никеля (Ni>90%). Что
изучение стабильности всей системы,
вы об этом думаете?
БИНГЕМТОНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (BINGHAMTON UNIVERSITY)
понимание того, какие нежелательные
За последнее десятилетие химический
дополнительные реакции в ней
состав большинства аккумуляторных
возникают, и как от них избавиться.
батарей промышленного производства
Изучение стабильности началось где-то
был таковым: ⅓Ni, ⅓Co, ⅓Mn. Затем
с год назад, а в 2023 г. мы опубликовали
он достиг 60%-го содержания никеля.
первые результаты наших исследований в статье «Обеспечение большого числа циклов и исключительной структурной стабильности слоистых катодов с высоким содержанием никеля в литийметаллических аккумуляторных батареях» (Enabling Long Cycling with Excellent Structure Stability for HighNickel Layered Cathodes in Lithium Metal Batteries).
В.: Каковы коммерческие перспективы материалов НКМ, легированных ниобием?
Потом компания Tesla стала производить аккумуляторы НКА (никель-кобальталюминий) для электромобилей с высоким содержанием никеля. Сначала он составлял 85%, а теперь добирается до 90%. А сейчас мы уже обсуждаем состав НМКА (никель-марганец-кобальтоксид алюминия). Цель — увеличить содержание никеля. Вопрос в том, как бы не переборщить.
В.: Каковы ваши взгляды на перспективу применения никелевых аккумуляторов в других устройствах, кроме электромобилей,
Подозреваю, что ими уже активно
в рамках которых они вносят свой вклад в
интересуются, но предпочитают пока
устойчивое будущее?
об этом вслух не говорить. Как только
Кроме электромобилей аккумуляторы
Цель — увеличить содержание никеля.
возникнет желание поставить всё на
Вопрос в том, как бы не переборщить.
коммерческую основу, с нами свяжутся
Следующим логическим шагом является
по поводу лицензии. Вся необходимая
аварийно-спасательная служба,
могут использоваться в дронах.
информация есть в упомянутой выше
перевозка людей в чрезвычайных
публикации.
ситуациях. Ещё можно применять
В.: Две недавно зарегистрированные
Расположенная к северу от Сиэтла
компании США занимаются масштабным
компания Eviation разрабатывает
переходом от опытного к промышленному
сейчас самолёт стандартного, а не
производству катодных материалов с
вертикального типа взлёта.
их в аэрокосмических системах.
Д-р Стенли Уиттингем получил степени бакалавра и доктора наук в области химии в Оксфордском университете, где он является почётным научным сотрудником колледжа New College. Он активно занимается литиевыми аккумуляторами с 1971 г., когда удостоился награды для молодых авторов (Young Author Award) Электрохимического общества за труд по бета-глинозёму. В 1972 г. он приступил к работе в компании Exxon и открыл роль интеркаляции в аккумуляторных реакциях, что привело к созданию первых коммерческих литиевых перезаряжаемых аккумуляторов, производившихся компанией Exxon Enterprises. В 1988 г., после 16 лет работы в Exxon, он вернулся в академическую среду. В Бингемтонском университете (Binghamton University (SUNY)) он стал инициатором программы по материаловедению. Лауреат Нобелевской премии в области химии, опубликовавший более 200 статей в ведущих научных журналах, обладатель 16 патентов, д-р Уиттингем известен как плодовитый учёный у себя в стране и во всём мире.
12 «НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г3
НИКЕЛЬ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧИСТОТЫ Элементарный никель является основой широкого спектра никельсодержащих сплавов, но что мы знаем о самом никеле, о никеле промышленной чистоты? Существуют две марки никеля
во многих приборах для производства
промышленной чистоты (ПЧ)
каустической соды — в испарителях
(минимум 99,0%) — Nickel 200 (UNS
каустической соды, кристаллизаторах,
N02200) и Nickel 201 (N02201). Марка
U-образных трубах теплообменников и
Nickel 201 с более низким содержанием
солевых сепараторах.
углерода предназначена для работы
А уже затем каустическая сода
с температурами, превышающими
находит применение во многих
315 °C (600 °F), для предотвращения
значимых отраслях промышленности,
охрупчивания из-за формирования
в таких процессах, как выделение
графита.
окиси алюминия из бокситов для
Никель ПЧ обладает коррозиестойкостью,
производства алюминия, пульпирование древесины для производства бумаги,
полезной для некоторых видов
преобразование жиров в мыло и для
оборудования, используемого
производства искусственных тканей,
в химических процессах. Его
таких как вискоза.
исключительным свойством является устойчивость к каустической соде
К тому же никель ПЧ обладает
(едкому натру) и другим щелочным
великолепной стойкостью к
металлам. Он показывает великолепную
газообразному хлору при высоких
коррозиестойкость ко всем
температурах. Высший температурный
концентрациям каустической соды, в
предел марки Nickel 201 — около 540 °C
том числе находящейся в расплавленном
(1000 °F). При производстве хлора
состоянии. При её концентрации
никель ПЧ используется в реакторах,
ниже 50% уровень коррозии настолько
индукционных катушках, смесителях и
Никель ПЧ — это один из лучших металлов, обладающих каустической
низок, что им можно пренебречь даже
трубах в тепловом диапазоне 250-500 °C
в кипящих растворах. Никель ПЧ — это
(480-930 °F).
один из лучших металлов, обладающих
Элементарный никель является основой
каустической коррозиестойкостью,
широкого спектра никельсодержащих
при этом он не загрязняется
сплавов, но и никель промышленной
другими металлами, что было бы
чистоты является важным
неприемлемым. Никель ПЧ используется
производственным материалом.
коррозиестойкостью, при этом он не загрязняется другими металлами, что было бы неприемлемым.
Прочность, мин., МПa (кфунт/кв. дюйм) (отожжённый) Марка
UNS
%Ni
%C
Текучесть
Прочность на растяжение
Nickel 200
N02200
99,0 мин.
0,15 макс.
100 (15)
380 (55)
Nickel 201
N02201
99,0 мин.
0,02 макс.
80 (12)
345 (50)
«НИКЕЛЬ», «НИКЕЛЬ», т.т. 38, 38, № № 3,3, 2023 2023 г.г | 13
СПРОСИ ЭКСПЕРТА ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ НА САЙТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ИНСТИТУТА НИКЕЛЯ
В О
В.: Для применения в фармацевтическом производстве клиент заказал трубы из
стали марки 316L с повышенным содержанием серы (0.005–0.017%). После сварки на шве появилась окалина. Вопрос: для чего было нужно повышенное содержание серы? Что нужно
Гир Мо (Geir Moe), лицензированный инженер,
является координатором Службы технической консультации Института никеля. Наряду с другими специалистами-материаловедами, находящимися в разных странах мира, Гир Мо помогает конечным пользователям и спецификаторам никельсодержащих материалов, заинтересованным в получении технической помощи. Для того, чтобы
сварных швов, произведённых с
её присутствие в составе сплава
помощью газ-вольфрамовой дуги. Это
нежелательно. Сера способствует
метод сварки, которому отдаётся
осевому растрескиванию в сварных
предпочтение в фармацевтической
швах аустенитов. Сульфитные
промышленности. Сера способствует сходящемуся массовому перетеканию,
уродливые поверхностные дефекты,
консультации по широкому ряду тем, таких, например, как нержавеющие стали, никелевые сплавы и никелирование
особенно эстетически неприемлемые, когда нержавеющая сталь должна
О Н Л А Й Н
быть подвергнута полировке. Так что
WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org
ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/
шва, в частности криволинейных
сталях. В большинстве случаев
коррозия, вызванная хлоридами, и
бесплатно предоставлять технические
ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/library/
никельсодержащих нержавеющих
где могут появиться питтинговая
никель, эта команда всегда готова
«НИКЕЛЬ»
оптимальной глубины провара
О.: Сера — это сложный элемент в
включения являются тем местом,
пользователи с уверенностью применяли
ЖУРНАЛ
предпринять, чтобы предотвратить формирование окалины во время сварки?
которое, в свою очередь, способствует потоку тепла к центру сварного шва на поверхности, а затем в центре шва этот поток отклоняется вниз и способствует более глубокому провару шва.
сталелитейные заводы, производящие
Окалина — это в первую очередь
нержавеющую сталь, принимают все
сульфиды, всплывающие на
возможные меры для снижения уровня
поверхность сварочной зоны и таким
серы до 0,001 % и ниже. Однако сера
образом собирающиеся на поверхности
является поверхностно-активным
сварочной зоны по мере продвижения
агентом и во многом влияет на сток в
сварки. Окалина возникает из-за
сварочной зоне.
более высокого содержания серы, а
Диапазон содержания серы
количество окалины в конце шва
0,005–0,017 % — это требование
увеличивается с увеличением
стандарта на биотехнологическое
диаметра трубы. Избежать
оборудование Американского общества
формирования окалины нельзя, но её
инженеров-механиков для обеспечения
легко можно зачистить.
Провар шва Расплавленный металл
Металл-подложка
СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере X @NickelInstitute ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute
14 |«НИКЕЛЬ», «НИКЕЛЬ»,т. т.38,38,№№3,3,2023 2023г3г.
При небольшом содержании серы неглубокий провар шва
При повышенном содержании серы более глубокий провар шва
Никель можно обнаружить везде — от нанонитей до нержавеющих сталей. Но каковы свойства никеля, которые делают его неотъемлемой частью предметов, использующихся в нашей каждодневной жизни?
ПОЧЕМУ НИКЕЛЬ? НИКЕЛЬ В АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЯХ
Аккумуляторная батарея Аккумуляторная батарея преобразует химическую энергию в электрическую. Она снабжает энергией приборы, такие как смартфоны, портативные электроприборы
Почему никель?
и машины. Химия аккумуляторов разнообразна. У них разные формы и размеры,
Самым распространённым типом аккумуля-
которые зависят от требований питаемого энергией прибора. Аккумуляторная
торных батарей являются литий-ионные, но
батарея состоит из одного или более электрохимических элементов. В состав
формулы их состава многочисленны. Самый
элемента входят два электрода — анод и катод — и электролит. Когда два электрода
распространённый катод — НКМ — это
соединены токопроводом, электроны перетекают из анода на катод и поставляют
литий-никель-марганец-оксид кобальта.
энергию внешнему устройству.
Во время разряда ионы лития (Li+) мигрируют
анод
электролит
с анода на катод через электролит. Катод
сепаратор
НКМ служит хозяином для этих ионов лития. К тому же на катоде ионы никеля, марганца
катод
и кобальта восстанавливаются, принимая электроны, которые проходят по токопроводу. Эта реакция обратима, поэтому аккумуляторную батарею оказывается возможным перезаряжать.
графит литиевый ион
электрон
Секрет НКМ лежит в сочетании никеля и
оксиды металлического лития
марганца. Никель известен своей высокой удельной энергией, но плохой стабильностью; у марганца низкая удельная энергия, но он обеспечивает стабильность. Комбинирование этих металлов усиливает сильные стороны каждого.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»
UNS
C
Cr
Cu
Fe
Mn
Mo
N
Ni
P
S
Si
S31254 pg 16
0.020 max
19.520.5
0.501.00
bal
1.00 max
6.06.5
0.180.22
17.518.5
0.030 max
0.010 max
0.80 max
S32750 pg 2
0.030 max
24.026.0
-
bal
1.20 max
3.05.0
0.240.32
6.08.0
0.035 max
0.020 max
0.80 max
«НИКЕЛЬ», т. 38, № 3, 2023 г | 15
СЕБАСТЬЯН Л. ТОРХУСЕН (SEBASTIAN L. TORJUSEN)
ПРОЕКТ SALMON EYE — ПИЩА ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЙ Это уникальный проект, использующий 9275 элементов облицовки из нержавеющей стали, устойчивой к долговременному воздействию морской воды. Названный Salmon Eye («Глаз лосося»), этот четырёхэтажный плавающий аквакультурный павильон высотой 23 м был торжественно открыт в сентябре 2022 г. в норвежском фьорде Hardangerfjord. Salmon Eye — это не только эффектная художественная инсталляция, но и информационнотуристический просветительский центр всемирного масштаба, и место расположения
ПРОЕКТ @SALMONEYE
ресторана высокой кухни Iris.
Никельсодержащая нержавеющая
Каркас строения, нижний ярус
ко дну фьорда, он весит 1 тыс. тонн и
которого находится под водой,
может выдержать волны высотой до
произведён из изогнутого двутаврового
пяти метров. Для придания плавающей
профиля и обшит стальными
конструкции стабильности на нижнем
листами. Прямоугольные пластины
ярусе расположены балластные
с обрезанными углами прикреплены
резервуары.
сталь, использованная для фасада,
к внешней поверхности изогнутого
содержит 6% молибдена (UNS S31254).
каркаса здания. Окружающая природа отражается в этих небольших секциях
• Уникальный опыт строительства держащейся на плаву конструкции • Два электрических челночных парома перевозят посетителей в павильон • 13 якорей • 26 м в диаметре • Панорамный вид с крыши — обзор на 330°
16 «НИКЕЛЬ», «НИКЕЛЬ», т.т. 38, 38, № № 3, 3, 2023 2023 г.г3
из нержавеющей стали, напоминающих
Этот поразительный пример экологичной архитектуры был спроектирован датской компанией Kvorning Design для норвежской фермы
серебристую рыбью чешую.
по разведению лосося и форели Eide
Павильон комплекса эллиптической
Fjordbruk.
формы плавает на водной поверхности
Проект был заказан для того, чтобы
залива глубиной 100 метров, что
стимулировать интерес к экологически
предъявляет особые требования к
чистым морепродуктам и объяснить, как
силовому каркасу и структуре оболочки.
можно обеспечить ими весь мир. Теперь
Пришвартованный на большие якоря
это ещё и пища для размышлений.