Металл не только для нержавейки, но и для батарей и полупроводников: краткая история никеля

Мы продолжаем рассказывать о различных металлах, истории их открытия, применении и патентом аспекте. На этот раз речь пойдет о никеле. Объем добычи и потребления этого металла в мире напрямую зависит от уровня выпуска коррозионностойких и нержавеющих сталей. Но не только в них он применяется. 

Но обо всем по порядку. 

История открытия никеля

Никель (англ., франц. и нем. Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel). Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Аксель Кронстедт. Ему удалось получить зеленый окисел и путем восстановления последнего — новый металл, названный никелем. Когда соотечественник Кронстедта Торберн Бергман получил металл в более чистом виде, он установил, что по своим свойствам металл похож на железо; более подробно никель изучали многие химики начиная с французского ученого Жозефа Луи Пруста. 

По одной из легенд элемент получил свое название от имени коварного гнома. Nickel — бранное слово саксонских горняков в Средние века, что значило тролль или гном. По верованиям, он подбрасывал горнякам минерал, в составе которого присутствует мышьяк и никель.  

Потребление

Характерной особенностью рынка никеля является высокая доля использования этого металла в виде добавок в нержавеющие стали и специальные жаропрочные и коррозионностойкие сплавы, которые находят применение в различных отраслях промышленности, на транспорте и в бытовой технике.

Никелевые сплавы необходимы для создания аппаратуры, электронных приборов, а в некоторых странах его применяют для монет вместе с серебром. Сплавы, которые содержат достаточно никеля и выполнены по технологии необходимы почти во всех сферах жизни. Никелевые сплавы обладают коррозионной стойкостью, высокой прочностью и пластичностью, увеличенной прокаливаемостью, проходят при добавлении Ni через изменение коэффициента теплового расширения.

Популярные сферы применения никеля:

• больше всего в никеле нуждается цветная и черная металлургия. Чтобы получить нержавейку, требуется 67% никеля, для изготовления других сплавов — 17%; 

• нержавеющая сталь используется практически повсеместно: в машиностроении, производстве трубопроводов, медицине. Никель обеспечивает высокую устойчивость к коррозии и негативным внешним факторам;

• в бытовой сфере: многие покупатели предпочитают краны, фурнитуру для мебели, смесители;

• производство белого золота;

• электротехника: в большом количестве изготавливаются никель-кадмиевые АКБ. Никель-цинковые АКБ составляют высокую конкуренцию свинцовым аккумуляторам;

• никель-медные конструкции используются в производстве прочных конструкций, которые должны работать в химически-агрессивных условиях;

• не существует аналогов никелевым сплавам для изготовления газовых турбин;

• изотоп никель-63 применяют в так называемых ядерных батарейках.

Добыча из недр

Мировые запасы никеля заключены в недрах 29 стран и оцениваются в 122 млн т. Обширные запасы никеля также обнаружены в марганцевых конкрециях на дне океана.

Мировое производство никеля в товарных рудах и концентратах составляет около 3 млн т в год. В частности, в Индонезии, лидирующей среди продуцентов никелевого сырья, разрабатываются месторождения в латеритных корах выветривания. 

В 2023 г. страна обеспечила около 35% мировой добычи металла. Второе место по добыче никелевых руд занимают Филиппины. Здесь также разрабатываются латеритные месторождения силикатных никелевых руд, но по качеству они уступают индонезийским. 

В Новой Каледонии сосредоточены латеритные месторождения Монео (Moneo), Накети (Nakety), Куауа (Kouaoua), Непуи-Копето (Nepoui-Kopeto), Горо (Goro) и др. Их разработку ведут такие компании, как ErametGroup, Sociétédes Minesdela Tontouta и Vale. В Австралии добыча никеля в равной степени ведется как из месторождений сульфидного, так и силикатного типов. Производимые руды и концентраты в основном перерабатываются с получением рафинированного никеля и ферроникеля внутри страны. В Канаде добыча никеля осуществляется на сульфидных медно-никелевых месторождениях, сосредоточенных в провинциях Онтарио, Манитоба, Ньюфаундленд-Лабрадор, Квебек. Добыча никелевых руд в Африке составляет порядка 100 000 т. в пересчете на металл, в основном в ЮАР и на Мадагаскаре, немного в Зимбабве, Кот-д'Ивуаре, Замбии.

Никель в России

В соответствии со Стратегией развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации до 2035 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 22.12.2018 № 2914-р никель относится к полезным ископаемым первой группы, запасы которых достаточны для удовлетворения потребностей экономики на длительное время при любых сценариях ее развития и не требует проведения активных геологоразведочных работ, направленных на их воспроизводство. Кроме того, никель входит в перечень основных видов стратегического минерального сырья, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 30.08.2022 № 2473-р.

Степень освоенности сырьевой базы высокая — недропользователям передано более 90% запасов, при этом в разработку вовлечено почти две трети. В стране функционируют предприятия, на которых реализовано производство полного цикла — от переработки сырья до выпуска металла. Их деятельность полностью обеспечивается за счет собственного сырья, на экспорт направляется незначительный объем никелевых концентратов с объектов, не интегрированных в структуру полного цикла.

Крупнейший производитель — ПАО «ГМК«Норильский никель». 

В 2013-2017 гг. на месторождениях силикатно-никелевых руд в Свердловской (Серовское) и Оренбургской (Буруктальское) областях добычные работы были полностью прекращены из-за отсутствия технологии, обеспечивающей рациональное использование запасов и получение конкурентоспособной продукции. В этот же период было остановлено производство товарной продукции компаниями ПАО «Комбинат «Южуралникель», ОАО «Уфалейникель» и ЗАО «ПО «Режникель».

Основными потребителями никеля в России являются металлургические предприятия, производящие нержавеющую металлопродукцию: ПАО «Челябинский металлургический комбинат» (входят в ПАО «Мечел»), АО «Металлургический завод «Электросталь», ПАО «Северсталь», ПАО «Ашинский металлургический завод» и т.д.

С принятием в 2022 г. Программы развития авиационной отрасли увеличилось потребления никеля, которое связано с его использованием в составе специальных сплавов в авиационном двигателестроении и энергетическом машиностроении (лопатки турбин, ПС-90, ПД-14 и др.).

Еще одним сектором потребления стал электротранспорт при освоении технологии и масштабировании выпуска тяговых литий-ионных аккумуляторных батарей с катодом на основе никель-кобальт-алюминия (тип NCA) ООО «Рэнера», дочерним предприятием Госкорпорации «Росатом».

Патентный аспект

На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову Nickel только за 2023 год; на 10.03.2024 всего-то 615 ед. Одна из самых высоких активностей в патентовании металлов!

Среди патентообладателей нет лидеров, патенты распылены по сотням промышленных компаний и организаций. Топ-7 выглядит так:

1. Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. — 2,8%;

2. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (株式会社半導体エネルギー研究所) — 2,6%;

3. Центральный Южный Университет (КНР, 中南大学) — 2,3%;

4. UOP Llc — 1.5%;

5. True Velocity IP Holdings, Llc — 1,4%;

6. View, Inc. — 1,2%;

7. Samsung SDI Co., Ltd. — 1,1%;

Первые строки занимают транснациональные электротехнические и нефтехимические компании из Японии, Китая, Ю. Кореи и США. В частности, в микроэлектронике никель рассматривается как полезная присадка в многокомпонентных плёнках в широком спектре устройств. Довольно активной компанией является Semiconductor Energy Laboratory Co., её основателю Ямадзаки Сюмпэю мы уже посвятили отдельный материал на Хабре. 

Популярные темы по никелю в рамках международной патентной классификации выглядят так:

• сокращение выбросов парниковых газов Y02E — 49,4%;

• способы и устройства, например батареи, для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую H01M — 43,9%;

• защита природы в разных процессах Y02P — 20,0%;

• соединения металлов C01G — 18,1%;

• неорганическая химия C01P — 17,5%;

• сплавы C22C — 12,1%;

• химические и физические процессы B01J — 10,9%;

• покрытия C23C — 9,8%;

• полупроводниковые приборы H01L — 9,0%;

• технологии смягчения последствий для климата, связанные с транспортом Y02T — 6,5%;

• неметаллические элементы; их соединения C01B — 6,3%;

• получение соединений или неметаллов электролитическими способами C25B — 6,3%;

• порошковые технологии B22F — 6,2%;

• разное оборудование Y10T — 5,9%

• технологии смягчения последствий для климата, связанные с очисткой сточных вод Y02W — 5,0%;

• применение наноструктур B82Y — 4,8%;

• нанесение покрытий электролитическим способом или способом электрофореза; гальванопластика C25D — 4,7%;

• конденсаторы; конденсаторы, выпрямители тока, детекторы, переключатели, светочувствительные или термочувствительные устройства электролитического типа H01G — 4,3%.

В базе ФИПС на «никель» числится 7146 патент РФ на изобретения, из которых 2590 действующие. Это крайне высокий показатель по сравнению с другими металлами, цветными и черными, редкими и редкоземельными! 

Тематика никелевых изобретений РФ также разнообразна.

В разделе «технологии процессов, B» — 643 патента.  Способы получения направлены на различные конструкционные сплавы с участием никеля (№2623545, 2614919 и др.), керметы (№2608112),  металлические катализаторы, в частности №26359755 и 2616601,  покрытий (№2586376 и др.), композиты (№2286243), магнитотвердые частицы (№2514268) и  т.п. 

В разделе «химия и металлургия никеля, C» 2210 патента — от гидрометаллургии первичного никеля до разнообразных металлических, керамических и прочих соединений, в частности способ получения сплава TiNi с прогнозируемыми свойствами с помощью аддитивных технологий (№2772811 и 2808118), коррозонностойкая аустенитная сталь (№24990750). 

В разделе «электричество H» — 153 патента, в большинстве по электротехнике (разнообразные химические источники тока — №2407112, №2661340 и пр.,  солнечные батареи — №2526633, топливные элементы — №2678438, суперконденсаторы — №2763028); много по микроэлектронике, например, патент №2367062 — полупроводниковый резистор; №2367061 тензодатчик; №2668038 — чипы фотопреобразователей; диоды Шоттки — №27039931 и т.п.

Патентов РФ на никелевые полезные модели числится 579 штук. Из них действующих 99, в основном детали машин и механизмов. По микроэлектронике и электротехнике — 34 штуки. Например, №215720 — диод; №223878 — чехол для блокирования сигнала мобильного устройства; №1883394 — мощная гибридная СВЧ-интегральная схема; №158240 — полупроводниковый прибор с повышенной устойчивостью к динамической лавине.

Программ для ЭВМ по слову «никель» в РФ зарегистрировано 53 штуки. В основном они посвящены технологическим процессам и расчётам устройств; примерами являются:

• Система управления подачей шихты для процесса восстановительной плавки никеля в электродуговой печи (№2016610532); 

• Расчет активности углерода в сложнолегированных сплавах на основе никеля (2016617900);

• Программа для моделирования процесса электрического переключения в NiO структурах «NiO-RESET» (2016614618). 

Баз данных в РФ по никелю — 52. В основном они касаются экологии. В технической области их единицы, в частности — №2019620020 «Элементный состав композиционного материала, сформированного методом селективного лазерного плавления порошка жаропрочного никелевого сплава ВВ751П на подложке из титанового сплава ВТ20».

Также в РФ зарегистрировано 2 топологий интегральных схем с никелем, обе АО «Группа Кремний Эл»:

• №2017630137 — Микросхема электронного кодового ключа (в ней используется двухуровневая металлизация, нижний уровень которой изготовлен из алюминия, а верхний уровень - из слоев никель-серебро).

• №2022630191 — «Кристалл диода Шоттки для малогабаритного корпуса КТ-46» (контакт выполнен напылением платины и никеля).

Перспективные исследования 

В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 8959 документов по никелю, в основном отчёты по НИР по грантам и диссертации. 

Наше внимание привлекли сведения о начинаемых научно-исследовательских работах со сроками исполнения в 2025-2026 гг. Управление активностью и селективностью через контроль избыточной энергии и доступности активных центров катализаторов на основе Ni, Co, Cu, Cr для получения сорбита, маннита, мальтитола методом гидрирования занялся за 3 млн руб. от Российского научного фонда Ивановский государственный химико-технологический университет. В работе предлагается сравнить традиционные методы синтеза с другими методами синтеза, в том числе с методами МА (механохимическая активация) и СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез).

Высокочувствительный люминесцентный сенсор антибиотиков тетрациклиновой группы в молоке на основе полупроводниковых квантовых точек Ag2S начал разрабатывать за грант на ту же сумму Воронежский государственный университет. Проект направлен на разработку приемов управления параметрами люминесценции коллоидных КТ путем функционализации их интерфейсов пассиваторами, ионами переходных металлов (никель, цинк), аминовым и тиоловым силанами, склонными к комплексообразованию с молекулами антибиотиков.

Разработка научных основ применения лазерного излучения для создания новых объемно-структурированных гетерогенных материалов с заданными свойствами и синхротронного излучения для определения их фазового состава за 6 млн руб. от Минобрнаука РФ стала предметом исследования Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Выводы 

Никель является своеобразной российской фишкой, здесь наши достижения и успехи, научные открытия и технологические прорывы, безусловно, высоки. Начиная от проектирования в Гипроникель, через производство на знаменитом «Норильском Никеле» — до  рядовых и скромных пользователей типа Роскосмоса, Объединённой Судостроительной Корпорации, Объединённой Двигателестроительной Корпорации и т.д. Мировыми достижениями являются дисперсионно упрочненные стали разработки ВНИИНМ, лопатки из никелевых сплавов для авиационных двигателей от ВИАМ.

Патентная ситуация в базовом применении никеля отличная, но в инновационных сегментах типа высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов или мощный СВЧ устройствах — неопределённая (возможно, не все изобретения патентуются в открытом поле). 

А между тем многие эксперты видят роль никеля как критически важного элемента для обеспечения уверенного перехода к новому технологическому укладу с отказом от ископаемого топлива в пользу передовых систем электрохимического хранения и преобразования энергии. В частности изучены основные классы никельсодержащих материалов для положительных электродов (катодов) металл-ионных аккумуляторов, определено место никеля среди других 3D-металлов, используемых в индустрии электрохимического накопления энергии. 

Возможно, потенциальная кооперация с китайскими товарищами ускорит эти исследования. Напомним, что Центральный Южный Университет из КНР занимал третье место в нашем рейтинге. 

Полезное от Онлайн Патент:

1. Как получить господдержку для IT-компании?

2. Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?

3. Как защитить базу данных клиентов?

4. Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?  

5. Руководство по товарным знакам в 2024 году.

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале