コバルト: バッテリーと明るいブルーに不可欠

周期表の 27 番目に入るのは、充電式バッテリーやジェット エンジンに不可欠な元素であるコバルトです。 2018年、米国内務省はコバルトを含む、米国経済に欠かせない物質のリストを発行した。コバルトは、その大部分がアフリカの政治的に不安定な地域で採掘され、中国で精製されるため、国家安全保障上のリスクとさえ考えられています。

鮮やかな青色の陶器を作る能力で最初に珍重され、現在は電気自動車の未来の鍵となっているこの多用途金属について詳しく学びましょう。ちょっとした民話から始めましょう。

コバルトの名前の由来はノームから

何世紀も前、現在のドイツのシュネーベルク山脈で鉱山労働者たちが問題に遭遇しました。彼らは金属が豊富な鉱石、特に銀とニッケルを求めて山腹を切り開きました。しかし、鉱石を製錬して貴重な金属成分を生成しようとすると、不純物のせいでプロセスが台無しになり続けました。

中世であるため、「ノーム」または「ゴブリン」を意味する中世ドイツ語の「コポルド」と呼ばれます。伝説によると、コポルドはシュネーベルク鉱山に住んでおり、鉱石に含まれる銀とニッケルを、製錬過程で有毒なガスを放出する悪臭のある鉱物に置き換えて人間にいたずらするのが好きでした。彼らは落盤の原因としても非難された。

すべての古代の良い伝説と同様、ノームの物語にも一片の真実がありました。銀とニッケルの精錬プロセスは、シュネーベルク岩中に天然に存在する高レベルのコバルトによって複雑になりました。また、コバルタイトと呼ばれる鉱物にはヒ素と硫黄が含まれており、気密な坑道内に放出されると致命的になる可能性があります。

元素金属であるコバルトは、1735 年にスウェーデンの化学者ゲオルク ブラントによって初めて単離され、命名されました。ブラントは錬金術の初期の批判者であり、おそらくノームのファンでもありませんでした。

古代エジプト人や中国人はコバルトブルーを愛した

コバルトという名前がついたのは 18 世紀になってからですが、コバルトベースの顔料や染料はその豊かな青色の色合いで何千年も珍重されてきました。

コバルト研究所は、コバルトベースの釉薬を含む陶器やガラスが少なくとも2600年前のエジプトの墓から発見されたと発表した。また、唐 (西暦 600 ～ 900 年) と明 (西暦 1350 ～ 1650 年) の時代の有名な青い中国磁器も、コバルトベースの鉱物で釉薬がかけられていました。

純粋なコバルトは光沢のある灰色ですが、酸化コバルトを取り出し、コバルトが豊富な鉱物を 2,012 °F (1,100 °C) を超える温度にさらす焼成と呼ばれるプロセスで処理すると、明るい青色の粉末に変えることができます。として知られる印象的な色は、酸化コバルト (Co ₃ O ₄ ) をケイ酸アルミニウムとともに 2,192 °F (1,200 ℃) で加熱することによって生成されます。

酸化コバルトと他の鉱物を組み合わせることで、マザリンブルー、ウィローブルー、ブルーブラックなど、他の多くの色合いを作ることができます。少量の青いコバルトの色合いは、鉄汚染によるガラスの黄色味を消すための「脱色剤」としても使用されます。

コバルトは、20 世紀まで顔料および塗料の成分としてほぼ独占的に使用されていました。コバルト研究所によると、1916年には世界で採掘・精製された全コバルトの70パーセント以上（わずか440トン（400メートルトン））が着色用の酸化物として使用されていた。

世界のコバルトの半分は二次電池に使用されている

スマートフォン、タブレット、電気自動車の充電式リチウムイオン電池は、少なくとも部分的にコバルトで動作します。コバルトは、リチウム、ニッケル、マンガンなどの他の金属とともに、私たちのデジタル生活に電力を供給する急速充電で長持ちするバッテリーの主要成分の 1 つです。世界中で生産されるコバルトの約50パーセントは充電式電池に使用されています。

コバルトは、リチウムイオン電池のカソード（正に帯電した電極）に含まれています。リチウムイオン電池が充電されると、リチウムイオンはカソードから負に帯電したアノードに流れ、そこで蓄えられます。バッテリーが放電すると、イオンが陰極に戻り、電子が放出されて電話や電気モーターに電力が供給されます。

コバルトには、熱安定性と高エネルギー密度というバッテリー用途に最適な 2 つの固有の特性があります。コバルトで作られたカソードは、重大な安全上の問題である過熱や発火が容易ではなく、より多くのエネルギーを貯蔵して伝達することもできます。コバルトは、リチウムイオン電池の正極だけでなく、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池などの他の一般的な充電式電池にも含まれています。

コバルトは現在、充電可能な正極の 10 ～ 33% を占めているため、自動車業界は将来の電気自動車に電力を供給するためにさらに多くのコバルトを必要とするでしょう。ある分析によると、乗用車だけからのコバルト需要は、2020年の27,500トン（25,000トン）以上から2025年までに110,231トン（100,000トン）以上へと4倍に増加すると予測されています。

超合金では非常に便利です

航空宇宙技術者がジェットやロケット エンジン内の高熱に耐えられる材料を必要とするとき、彼らはコバルトで作られた「超合金」に目を向けます。

超合金は、耐摩耗性と耐熱性が極めて高いことからその華やかな名前が付けられた高性能金属です。ニッケル基超合金は、最大 1,706 °F (930 ℃) に達する温度までの応力耐性においてコバルト合金を上回ります。その極端な温度を超えると、コバルト基超合金は真価を発揮します。

コバルトはニッケルよりも融点が高く、コバルト超合金は熱腐食に対してより耐性があります。ガス タービン エンジンの固定フィンにコバルト超合金が使用されているのはこのためです。ジェット エンジンが発生する高熱の矢面に立たされても、摩耗したり故障したりすることはありません。

そのほとんどはある問題を抱えた国で採掘されている

コバルトが米国内務省の国家安全保障上の「重要鉱物」リストに載った主な理由の一つは、世界のコバルトの半分がコンゴ民主共和国（DRC）で採掘されていることである。米国地質調査所の説明によると、コンゴ民主共和国には、政府の汚職、人権侵害、コバルト採掘に関連した環境破壊といった悲惨な歴史があります。

コンゴ民主共和国における規制されていない「職人による」コバルト採掘に関連した、安全で非倫理的な労働行為に懸念を抱いているのは、そのような人権団体だけではありません。 DRC の政治的および環境的不安定は、コバルトのサプライチェーンの大部分が混乱に対して脆弱であることを意味します。ハイテク経済が主に充電式電池に使用されるコバルトの安定供給に依存している場合、コンゴ民主共和国での問題が世界全体の経済成長を遅らせる可能性がある。

USGSの報告書はまた、中国がコバルトの主要精製国であり、コンゴ民主共和国の大規模なコバルト採掘事業の最大の資金援助者の一つであると指摘している。現状では、米国のテクノロジーセクターは、コバルトの供給をコンゴ民主共和国の不安定な供給源と、議論のある中国の貿易相手国に大きく依存している。これがリストの最後の事実の説明になります。

米国がコバルト採掘に参入

, 米国は世界のコバルトの10パーセントを消費したが、生産されたコバルトは世界の供給量の1パーセント未満であった。

コバルトはどこにでも存在するわけではありませんが、特に珍しい鉱物でもありません。地殻内での存在量は 32 番目にランクされています。純粋なコバルト鉱石を抽出できるのはカナダとモロッコの 2 つの鉱山だけであり、その大部分は銅とニッケルの採掘の副産物として抽出されています。世界で最も豊富なコバルト鉱床の 1 つは、コンゴ民主共和国の中央アフリカ銅地帯にあります。

しかし、米国は高品位のコバルト鉱床に恵まれていないため、利益を上げて採掘するのは難しい。鉱業業界はまた、陸上と海洋の両方で鉱物探査を許可するための許可手続きが遅いと不満を述べている。トランプ政権は、コバルトなどの重要な鉱物資源の海外への米国の依存を減らす取り組みとして内務省に指示した。

許可や地質学的障害にもかかわらず、米国のコバルト採掘にはある程度の進歩が見られました。 2014年、ミシガン州のアッパー半島でニッケルと銅の採掘が始まり、副産物としてコバルトやその他の鉱物が採掘されました。そして、アメリカ初のコバルト専用鉱山がアイダホ州で採掘の準備を進めている。