shkrobius (shkrobius) wrote,
shkrobius
shkrobius

Categories:

Черная материя

1.
Я скептически отношусь к алармизму климатического толка, но не вижу худа от замены бензиновых движков электромоторами, если это происходит (1) без принуждения и (2) отрицательных последствий для окружающей среды. Выделение углекислоты автомобилями далеко не сразу было осознано как проблема; то же справедливо для электромобилей. Как их производство в мировом масштабе будет влиять на среду нам не известно, и если не побеспокоиться об этом заранее, вместо "спасения планеты" можно обменять шило на мыло.

2.
Положим, сбудутся мечты об электромобилях. Те будут работать на аккумуляторах; это миллиарды батарей. Если не перерабатывать батареи, никаких ресурсов не хватит. Сейчас это литиевые батареи, и единственные два материала, которые рентабельно из них извлекать - никель и кобальт из катода. Марганец слишком дешев, чтобы окупить затраты на переработку: если цена переработки превышает цену добычи материала из руды, она невыгодна. Даже для никеля и кобальта эти цены в пределах 10%: переработка выгодна, но не очень, при этом большие капитальные расходы, вредные отходы и т. п., - что еще более снижает окупаемость. Батареи разряжают, окуная в рассол. После этого их морозят в жидком азоте (чтоб те не взрывались в "мясорубке") и размалывают на кусочки. Алюминий из коллекторов заряда в катоде растворяют в щелочи, сами оксиды - в кислоте; далее идет стандартная гидрометаллургичекая обработка. Разделения металлов не нужно, если из них делать новые батареи. Гидрометаллургия давно оптимизирована. Единственная возможность повысить окупаемость - извлекать оксиды напрямую без растворения в кислоте и последующей гидрометаллургичекой обработки.

Катод состоит из трех материалов: частичек литиированных оксидов, частичек углерода (через которые проводится ток) и полимера, который связывает частицы в пористую матрицу. За десятилетия были перепробованы многие полимеры, но только один из них хорошо работает, ПВДФ. Полимер состоит из -CH2CF2- последовательностей. Когда литий уходит из матрицы во время зарядки, остаются сильные окислители, которые повреждают полимеры. ПВДФ с такими окислителями совместим, и он обеспечивает адгезию в матрице несмотря на изменения объема частиц и характера их поверхностей. Никто не будет менять ПВДФ, т.к. всем известно, что найти замену непросто; вся технология построена вокруг его уникальных свойств.

Массу, которую извлекают из батарей, технологи называют "черной материей": это каша из частиц графита из анода и оксидов из катода. Частицы в каше - аггломераты частичек, связанных полимером. Склеить листки бумаги легко, а поделить их трудно. Тут та же проблема. Если бы можно было высвободить частички из матрицы, их можно было бы поделить из-за разности в плотности, смачиваемости поверхности и т. п.

Казалось бы - в чем проблема? Углерод можно сжечь, и останутся только оксиды металлов. Но жечь дорого, нужны высокие температуры. Более существенно, ПВДФ распадается при 300 Цельсия, выделяя HF. Плавиковая кислота реагирует с оксидами, изменяя их свойства. Простыми способами не получается поделить "черную материю" на составные части, а без этого гидрометаллургичекой обработке нет альтернативы, а с ней переработка батарей едва рентабельна, а без переработки такие батареи исчерпают ресурсы и завалят отвалы. Вот пример просто формулируемой химической задачи, от решения которой (без шуток) может зависеть будущее.

3.
У меня есть смутная идея, как можно было бы решить задачу.

Если бы можно было разбить ПВДФ на сравнительно маленькие кусочки, то они бы испарились при температуре ниже, чем температура выделения HF (все CFH соединения летучи). Можно разбавить -CH2CF2- мономеры другими мономерами, которые бы разрывали полимерные цепочки при температуре от 150 до 300 Цельсия. Нижний предел дается технологией производства катодов. Есть множество примеров термически нестойких полимеров, в которых цепочки соединяют кросс линкеры (в которых разрывается слабая связь), но тут нужен линкер в самой цепи, а не между цепями. Линкер должен выжить окислительные условия в катоде. Принципиально новый полимер не пойдет, т. к. индустрия без принуждения не будет менять ПВДФ чем-то, что работает хуже. Но если полимер - вариация ПВДФ, им все равно. К сожалению, я не могу придумать, как ввести такой линкер. Но это только один возможный подход; я уверен, что задача имеет простое и красивое решение.

Никто не хочет "спасти планету", а заодно стать миллиардером? Трепать языком-то все горазды, а как доходит до дела, почему-то сразу вакуум вокруг.
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Contents

    If a man will begin with certainties, he shall end in doubts; but if he will be content to begin with doubts, he shall end in certainties. (Bacon)…

  • Канадские загадки

    Гостил у сына в Монреале и увидел в местной газете неизвестную мне загадку (они ее binaire называют). Пишут, она возникла в Японии, оттуда…

  • Индийский желтый

    Мне нечего стыдиться: мои Тернеры висят в Лондоне, Нью-Йорке, Париже, Берлине, Вене. Я прочел все, написанное о его живописи, - а это сотни полотен…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 124 comments