Литиевая лихорадка: в Барилоче разработан ключевой компонент для увеличения срока службы аккумуляторов
Аргентина 2023-08-03 15:40:43 Телеграм-канал "Новости Аргентины"
САН КАРЛОС ДЕ БАРИЛОЧЕ - Исследователям городского Атомного центра впервые в стране удалось получить гексафторфосфат лития (LiPF6) или соли лития, необходимые для электролитов литий-ионных аккумуляторов. Несмотря на труднопроизносимое название, это неорганическое соединение является ключевым: в настоящее время оно производится только в странах Азии (85% рынка приходится на Китай), и спрос на него растет. "Литий - самый легкий из известных металлов, к тому же он очень реакционноспособен. Он также необходим для производства аккумуляторов для автомобилей и электронных устройств. Уступая Австралии, Чили и Китаю, Аргентина занимает четвертое место в мире по производству лития и второе место в мире по его запасам. "Запасы сосредоточены в провинциях Жужуй, Сальта и Катамарка. Однако сырье - карбонат лития, который в настоящее время экспортируется Аргентиной, - требует других процессов, прежде чем будет превращен в детали аккумулятора. Например, для использования в электролите - одном из трех ключевых элементов, составляющих, помимо анода и катода, каждый элемент литий-ионной батареи, - необходимо превратить его в гексафторфосфат лития. "Как поясняют специалисты Национальной комиссии по атомной энергии (CNEA), анод - это отрицательный электрод, на котором происходит реакция окисления, когда материал, из которого он изготовлен, теряет электроны. При получении электронов на катоде или положительном электроде происходит реакция восстановления, так как они понижают степень окисления. "Этот перенос электронов происходит через внешнюю цепь, например, медную проволоку, что и приводит к возникновению электрического тока. Между тем именно электролит позволяет замкнуть цепь за счет движения ионов. Это раствор, в котором присутствуют ионы лития, дающие соль с весьма специфическими электрохимическими характеристиками. Гексафторфосфат лития - соль, наиболее полно отвечающая этим требованиям: "В литий-ионных аккумуляторах при разряде ионы Li перемещаются от отрицательного электрода к положительному через электролит. При подключении аккумулятора к сети для подзарядки направление переноса меняется на противоположное, ионы лития перемещаются от положительного электрода к отрицательному - в результате химической реакции, называемой топотактической, - а электроны из сети поступают на отрицательный электрод по внешней цепи. Принимая эти электроны, тот, кто выполнял роль анода в ячейке, становится катодом при перезарядке. Этот процесс происходит обратимым образом, что позволяет повторять цикл заряда и разряда большое количество раз, обеспечивая длительный срок службы устройств". "Мы начали работу в июне и уже достигли первой цели - впервые в стране произвели гексафторфосфат лития. Мы сделали это в лабораторных масштабах, и следующей целью является переход к стендовым масштабам, с производством 10 граммов, которых будет достаточно для обеспечения электролитами всех исследовательских лабораторий страны в течение года", - объясняет Джорджина Де Микко, руководитель отдела физико-химических и кинетических исследований Технологического комплекса Пилканиеу (CTP) CNEA. Доктор технических наук добавляет, что, растворив синтезированную в лаборатории соль в воде, можно увидеть примеси в продукте. Цель - достичь чистоты 99,99%: в июне они начали с 30% литиевой соли и сейчас достигли чистоты 95%. "Требования становятся все выше и выше. Клетки уже можно было тестировать с тем, что мы получили. Но это связано с производительностью и долговечностью батареи: в процессе зарядки и подзарядки чем она чище, тем лучше. В проекте также участвуют Центр неорганической химии Cequinor-Conicet и компания Clorar Ingeniería. "Технологическое развитие, достигнутое CNEA, связано с созданием первого Национального завода по технологическому развитию литиевых элементов и батарей (UniLiB)", - добавляет Де Микко. Завод является частью консорциума с участием Национального университета Ла-Платы, компании Conicet, Комиссии по научным исследованиям провинции Буэнос-Айрес, Института научно-технических исследований в интересах обороны и компании YPF Tecnología (Y-TEC). "При поддержке Министерства науки, технологий и инноваций цель создания завода в Ла-Плате состоит в том, чтобы Аргентина самостоятельно обеспечивала себя батареями для удовлетворения потребностей национальной системы обороны, включая радары, контролирующие границы", "Для производства батарей предполагалось импортировать электролиты. На этапе разработки это не было проблемой, но при расширении масштабов производства приобретение таких объемов становится затруднительным из-за высокого спроса, особенно в автомобильной промышленности. Затем в CNEA обратились за производством гексафторфосфата лития в Аргентине, - рассказывает Даниэль Браснароф, менеджер технологического комплекса Pilcaniyeu, - электролит представляет собой соединение на основе лития, фосфора и фтора. Производство соли лития требует обращения с галогенированными, фторированными веществами. А технологический комплекс Пилканиеу, входящий в состав CNEA, имеет большой опыт в этой области: "Мы приобрели его в основном благодаря развитию обогащения урана, которое началось еще в 1980-х годах. Уран может быть обогащен путем образования газообразной молекулы с фтором. Наработанный нами за годы работы потенциал работы с фтористым водородом и фтором - двумя соединениями, участвующими в различных стадиях процесса обогащения урана, - позволил CNEA стать естественным кандидатом на производство гексафторфосфата лития", - говорит инженер-ядерщик. "Работа технологического комплекса в Пилканиеу в свою очередь подпитывается лабораторией физикохимии и контроля качества атомного центра в Барилоче, которая была создана в 2010 году. Наличие опыта и возможностей работы с такими веществами является ключевым фактором при разработке литиевых солей. И за короткое время результаты очень хорошие". "Если посмотреть на международный контекст, то существует 13 стран, которые занимаются обогащением урана и знакомы с этими технологиями. И страны, производящие гексафторфосфат лития, входят в этот список. Знания ограничены определенной группой стран, которая развивается по-своему, поскольку, будучи деликатными темами, они не встречаются в научной литературе и патентах", - говорит Браснароф. "В лаборатории Де Микко и Гастон Фуга, руководитель отдела контроля качества, уже более 15 лет работают с коррозионными веществами, такими как хлор, своего рода "близкий родственник" фтора. После проверки реализуемости и эффективности проекта в лаборатории специалисты CNEA продемонстрировали возможность его масштабирования до промышленных масштабов, что позволит производить килограммы литиевых солей на комплексе в Пилкание. "Фуга поясняет, что для получения электролита необходимо пройти несколько реакций: от карбоната лития, через фторид лития и пентафторид фосфора. "Гексафторфосфат лития - это соединение, которое разлагается под действием самого незначительного количества воды. Тогда атмосфера должна быть сухой, порой инертной. Это связано с некоторыми сложностями даже из-за физико-химических свойств некоторых используемых нами соединений, - говорит Фуга, - Они знают, что с каждым новым шагом будут возникать новые проблемы, но они настроены оптимистично". "Кроме того, необходимы инвестиции в химически совместимые компоненты, оборудование для измерения и определения характеристик, а также в персонал. Мы ожидаем, что это произойдет в зависимости от этапов и результатов", - добавляет Браснароф. "Потребление UniLiB предполагает производство не менее двух тонн литиевых солей в год. CNEA рассчитывает выйти на производственные условия через два года. Они подчеркивают важность увязки добычи с исследованиями, разработками и производством для решения проблемы в целом". "Забегая вперед, скажу, что, хотя соль лития можно экспортировать, Браснароф утверждает, что "лучше экспортировать аккумуляторы, т.е. продукт с добавленной стоимостью".