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美国经济发展不可或缺的关键矿产:金属钴
发表时间:2019-09-16 来源:中国矿业114网

2018年,美国内政部发布了一份美国经济不可或缺的重要矿产清单,一共包含了35种矿产。其中,有一种矿产尤为突出,它就是金属钴。它甚至被定义为涉及国家安全风险的矿产。金属钴排在元素周期表的第27位,它是现代可充电电池和喷气发动机的基本生产元素。目前,大多数钴都是在非洲地区开采,并在中国加工提炼。为什么金属钴在美国经济中占有如此重要的位置呢?下面就让我们一起来了解一下关于这种多功能金属的更多知识。它最初是因为能创造出栩栩如生的精美蓝色陶器而备受赞誉,而现在,则是电动汽车未来的关键。好吧,我们就先从民间传说开始。01 钴得名于传说中的矮人几个世纪前,德国施尼伯格山的矿工们遇到了一个问题。他们在山腰上挖掘,寻找富含金属的矿石,特别是银和镍。但是,当他们试图将矿石熔炼成有价值的贵金属时,总会有一些杂质破坏了这个过程。

 

在中世纪,矿工们一般会将采矿和冶炼中发生的问题,归咎于一种名为“kopelts(或是kopolds)”的小怪物。这个词是一个中世纪的德语单词,意为“矮人”或“小妖精”。传说,这些矮人或是小妖精生活在施尼伯格山矿区,特别喜欢恶作剧,它们会用一种在冶炼过程中释放有毒烟雾的肮脏矿物来偷换矿石中的银和镍。另外,它们还被指责制造矿洞塌方。就像所有古老的传说一样,在矿工中流传的这个故事也存在着真实的一面。由于施尼伯格山的岩石中天然存在高含量的钴,才使得银和镍的冶炼过程变得复杂和难以操作。另外,当地还有一种叫做辉砷钴矿的矿物含有砷和硫,如果在密闭的矿井中释放,这些物质可能是致命的。钴矿石事实上,金属元素钴是由瑞典化学家格奥尔格·勃兰特(Georg Brandt),于1735年首次分离出来,并命名的。而勃兰特本人则是早期炼金术的坚定批评者,当然更不可能相信会什么矮人或是小妖精。02 中国人和古埃及人最钟爱的钴蓝色虽然钴直到18世纪才得名,但几千年来,钴基颜料和染料却因其浓郁的蓝色色调而备受推崇。研究发现,在距今至少2600年历史的埃及墓葬中,就发现了含有钴基釉料的陶器和玻璃。而中国唐代(公元600 - 900年)、元代(公元1271 - 1368年)和明代(公元1368 - 1644年)著名的青花瓷也都是用钴基矿物上釉。

 

青花瓷罐纯钴是一种闪亮的灰色,但它可以转化为明亮的蓝色粉末。转化过程对钴氧化物进行一种煅烧处理,该过程会将富钴矿物暴露在超过1100摄氏度的温度下。而被称为钴蓝的美丽颜色,是通过在1200摄氏度高温下,用硅酸铝加热氧化钴(Co3O4)制成的。

 

制作玻璃器时用的蓝料还有一些其他的色调,比如,深蓝、柳青、蓝黑等,可以通过将氧化钴与其他矿物质结合而制成。少量的蓝色钴色调也被用作“消色剂”,以抵消玻璃中因铁污染而呈现的黄色。直到20世纪,钴几乎完全被用作颜料和油漆的成分。据统计,1916年全世界开采和精炼的钴中有70%以上,被用作着色剂的氧化物。03 世界上一半的钴用于可充电电池你的智能手机、平板电脑和电动汽车中的可充电锂离子电池,在某种程度上来说,是依靠钴来驱动的。钴和锂、镍、锰等其他金属一样,是这些可以快速充电、经久耐用的电池的关键成分之一。而这些电池,则为我们的数字生活提供了充沛的动力。目前,全球生产的钴中约有50%用于可充电电池。

 

手机用锂电池钴存在于锂离子电池的阴极(带正电荷的电极)中。当锂离子电池充电时,锂离子从阴极流向带负电荷的阳极,并储存在那里。而当电池放电时,离子流回阴极,电子被释放出来给手机或电动机供电。

 

钴有两个固有的特性,使其成为电池应用的理想材料:热稳定性和高能量密度。用钴制成的阴极不会容易过热或着火,这不但解决了电池的一个主要的安全问题,而且它们还可以储存和转移更多的能量。钴不仅存在于锂离子电池的阴极中,也存在于其他常用的可充电电池中,如镍镉电池和镍氢电池。

 

特斯拉锂离子电池由于钴目前占可充电阴极的10%到33%,汽车行业将需要更多的钴来为电动汽车的未来提供动力。一项分析预测,到2025年,仅仅乘用车对钴的需求,将从2020年的25000吨增至超过100000吨,翻了两番。04 钴在高温合金中超有用当航空工程师们需要一种能够承受喷气发动机或火箭发动机内部高温的材料时,他们会转向用钴制成的“高温合金”。

 

发动机叶片高温合金是一种高性能金属,因其极高的耐磨性和耐热性而得名,钴基高温合金就是其中的佼佼者。虽然,钴基高温合金在中温环境的强度只有镍基合金的50-75%,但在高于980℃的极端温度环境下,具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能。

 

火箭发动机喷口钴的熔点比镍高,而钴基高温合金更耐热腐蚀。这就是为什么你会在燃气涡轮发动机的固定翼片中找到钴基高温合金,它们承受着喷气发动机产生的高温的冲击而不会磨损和失效。05 美国正加紧涉足钴矿开采根据2015年的数据,美国消耗了全球10%的钴,而生产的钴还不足全球供应的1%。钴并非无处不在,但它也不是一种特别稀有的矿物。它在地壳中的储量排在第32位。在加拿大和摩洛哥只有两座矿山可以开采纯钴矿石,而大多数是作为铜和镍矿的副产品开采的。世界上最丰富的钴矿床之一是刚果民主共和国的中非铜带。

 

刚果卢本巴希铜钴矿然而,美国并没有大量高品位的钴矿床,这使得盈利开采变得更加困难。采矿业还抱怨,允许在陆上和海上进行矿产勘探的许可程序缓慢。尽管,存在许可和地质障碍,但美国的钴开采仍取得了一些进展。2014年,密歇根上半岛的鹰矿开始开采镍和铜,并将钴和其他矿物作为副产品。美国第一个专门生产钴的矿山也准备在2020年在爱达荷州投产。特朗普政府已指示内政部加快许可审批程序,以减少美国对钴等关键矿物国外来源的致命依赖。


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