Niken và coban là hai kim loại "anh em" đứng cạnh sắt trong bảng tuần hoàn, cùng có từ tính ở nhiệt độ phòng. Niken chủ yếu đi vào thép không gỉ (khoảng hai phần ba lượng niken thế giới) và ngày càng nhiều vào pin xe điện; coban là thành phần của cực dương nhiều loại pin sạc, của nam châm chịu nóng và siêu hợp kim động cơ phản lực. Niken nóng chảy ở khoảng 1.455 °C, coban ở khoảng 1.495 °C. Niken cũng là nguyên nhân dị ứng da do kim loại hay gặp nhất, nên trang sức và khuy quần áo ở nhiều nước bị giới hạn lượng niken thoát ra.
Niken và coban có gì giống và khác nhau?
| Đặc điểm | Niken (Ni) | Coban (Co) |
|---|---|---|
| Màu | trắng bạc, ánh hơi vàng | trắng bạc, ánh hơi xanh xám |
| Nhiệt độ nóng chảy | khoảng 1.455 °C | khoảng 1.495 °C |
| Khối lượng riêng | khoảng 8,9 g/cm³ | khoảng 8,9 g/cm³ |
| Từ tính | có, yếu hơn sắt | có, giữ từ tính tới nhiệt độ rất cao |
| Công dụng lớn nhất | thép không gỉ, mạ, pin | pin sạc, siêu hợp kim, nam châm, dụng cụ cắt |
| Nguồn khai thác chính hiện nay | Indonêxia (khoảng một nửa thế giới) | Cộng hoà Dân chủ Congo (khoảng bảy phần mười) |
Tên gọi của cả hai đều đến từ thợ mỏ Đức thời trung cổ. Họ gặp loại quặng đỏ trông giống quặng đồng mà luyện mãi không ra đồng, gọi là Kupfernickel, đại ý "đồng của quỷ lùn". Còn Kobold là tên một loài yêu tinh trong truyện dân gian, được đổ lỗi cho thứ quặng vừa không cho kim loại quý vừa bốc khói asen độc khi nung. Mãi thế kỷ 18 các nhà hoá học Thuỵ Điển mới tách được coban (năm 1735) và niken (năm 1751) như những nguyên tố mới.
Vì sao thép không gỉ cần niken?
Thép không gỉ có crom (từ khoảng 10,5% trở lên) để tạo màng ôxít crom tự bảo vệ. Niken được thêm vào để giữ thép ở cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt ngay ở nhiệt độ phòng. Kết quả là loại thép không gỉ dẻo, dễ dập sâu thành bồn rửa, nồi, xoong, dễ hàn, không hút nam châm (hoặc hút rất yếu), chịu ăn mòn tốt. Mác thép không gỉ phổ biến nhất có khoảng 18% crom và 8–10% niken. Cách nhận biết các mác inox trên thị trường là chủ đề của một trang khác; ở đây chỉ cần nhớ: niken là thứ làm inox "mềm tay" và không nhiễm từ.
Ngoài inox, niken còn đi vào:
- Lớp mạ niken trên vòi nước, tay nắm, phụ tùng xe, thường làm nền cho lớp mạ crom sáng bóng phía trên.
- Đồng xu: nhiều nước dùng hợp kim đồng – niken (thường 75% đồng, 25% niken) hoặc thép mạ niken, vì bền, khó mòn, màu trắng bạc.
- Siêu hợp kim nền niken cho cánh tuabin chịu khí nóng (bàn kỹ trong danh mục Hợp kim).
- Hợp kim niken – sắt giãn nở rất ít theo nhiệt, dùng trong dụng cụ đo chính xác, bồn chứa khí hoá lỏng.
Niken và coban làm gì trong pin?
Pin liti-ion trong điện thoại, máy tính xách tay, xe điện có cực dương làm từ ôxít kim loại chứa liti. Trong quá trình sạc – xả, ion liti đi ra đi vào mạng tinh thể của cực dương, còn các nguyên tử kim loại trong đó đổi trạng thái ôxy hoá để cân bằng điện tích. Niken và coban làm tốt việc này:
| Loại cực dương (gọi tắt) | Kim loại chính | Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|---|---|
| LCO | liti, coban | mật độ năng lượng cao, ổn định cho thiết bị nhỏ | nhiều coban, kém ổn định nhiệt hơn |
| NMC | niken, mangan, coban | cân bằng năng lượng – tuổi thọ, phổ biến trên xe điện | vẫn cần coban |
| NCA | niken, coban, nhôm | năng lượng cao | cần quản lý nhiệt chặt |
| LFP | liti, sắt, phốt phát | an toàn, bền, không cần niken, coban | nặng hơn cho cùng năng lượng |
Xu hướng nhiều năm qua là tăng tỷ lệ niken, giảm coban trong cực dương NMC, đồng thời mở rộng pin LFP không có cả hai. Lý do gồm giá thành, nguồn cung tập trung, và mối lo về điều kiện khai thác coban thủ công ở một số vùng. Trước pin liti-ion, pin sạc niken – cađimi và niken – hiđrua kim loại là phổ biến; pin niken – cađimi đã bị hạn chế ở nhiều nơi vì cađimi độc, còn pin niken – hiđrua kim loại vẫn có trong pin sạc cỡ AA và nhiều xe lai xăng – điện.
Coban và niken liên quan gì đến nam châm?
Sắt, niken và coban là ba kim loại sắt từ ở nhiệt độ phòng. Coban có điểm mất từ tính rất cao, khoảng 1.115 °C, cao nhất trong ba. Nhờ vậy coban là thành phần của hai họ nam châm vĩnh cửu chịu nóng:
- Nam châm nhôm – niken – coban: phát minh ở Nhật Bản đầu thập niên 1930, từng là nam châm mạnh nhất thời đó, nay dùng trong cảm biến, đồng hồ đo, đàn guitar điện vì ổn định theo nhiệt độ.
- Nam châm samari – coban: ra đời thập niên 1960–1970, chịu nóng tốt, dùng trong động cơ và cảm biến làm việc ở nhiệt độ cao.
Còn nam châm neodym mạnh nhất phổ biến hiện nay (thành phần chính là neodym, sắt, bo) lại dễ gỉ, nên gần như luôn được mạ niken – đồng – niken bên ngoài. Viên nam châm sáng bạc trong tai nghe, loa nhỏ chính là nhờ lớp mạ niken ấy.
Dị ứng niken là gì và phòng tránh thế nào?
Dị ứng niken là dạng viêm da tiếp xúc: chỗ da chạm vào đồ có niken (khuyên tai, dây đồng hồ, khoá thắt lưng, khuy quần bò) bị đỏ, ngứa, nổi mụn nước sau một thời gian tiếp xúc. Mồ hôi hoà tan một lượng nhỏ niken từ bề mặt kim loại, ion niken thấm vào da và hệ miễn dịch nhận diện nhầm thành chất lạ. Một khi đã mẫn cảm thì thường mẫn cảm lâu dài.
Niken được xếp vào nhóm dị nguyên tiếp xúc hay gặp nhất trong các khảo sát da liễu ở nhiều nước, nữ thường bị nhiều hơn nam, phần lớn liên quan tới xỏ khuyên tai. Từ năm 1994, Liên minh châu Âu giới hạn lượng niken được phép thoát ra từ các vật tiếp xúc lâu với da, chặt hơn nữa cho khuyên xỏ qua da.
Một vài cách giảm nguy cơ:
- Chọn khuyên tai, đồ xỏ bằng titan nguyên chất hoặc vật liệu được ghi rõ không niken, nhất là lần xỏ đầu.
- Khuy quần, khoá thắt lưng chạm da bụng có thể dán lớp phủ hoặc chọn loại phủ sơn.
- Thép không gỉ có chứa niken, nhưng mác dùng cho y tế thường giữ niken rất chặt trong mạng tinh thể nên thoát ra ít; người đã mẫn cảm nặng vẫn nên thử thận trọng.
- Da phản ứng kéo dài, lan rộng thì đi khám da liễu; không tự bôi thuốc theo truyền miệng.
Niken và coban được luyện ra sao?
Niken có hai nguồn quặng chính. Quặng sunfua (thường đi kèm đồng, coban) được tuyển nổi, nấu luyện thành "sten" rồi tinh luyện. Quặng laterit ở vùng nhiệt đới (đất đỏ phong hoá từ đá siêu mafic) được nung trong lò quay và lò điện thành hợp kim ferroniken cho ngành inox, hoặc hoà tách bằng axit ở áp suất cao để lấy niken, coban cho ngành pin. Coban hiếm khi có mỏ riêng, thường là sản phẩm phụ của mỏ đồng và mỏ niken. Điều đó khiến nguồn cung coban phụ thuộc vào thị trường đồng, niken, và tập trung ở rất ít nơi.
Góc nhìn hôm nay: kim loại của chuyển đổi năng lượng
Niken và coban được nhiều nước xếp vào nhóm khoáng sản quan trọng cho chuyển đổi năng lượng, cùng liti, đồng, đất hiếm. Ba hướng đang được theo đuổi để giảm sức ép: thiết kế pin dùng ít hoặc không coban, tái chế pin cũ để thu hồi niken, coban (bàn trong danh mục Tái chế kim loại), và yêu cầu truy xuất nguồn gốc khoáng sản. Với người dùng, giữ pin thiết bị bền lâu (tránh để quá nóng, tránh sạc xả kiệt thường xuyên) và giao pin cũ về điểm thu hồi là đóng góp thiết thực nhất.
Câu hỏi thường gặp
Niken nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Niken nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1.455 °C, coban ở khoảng 1.495 °C, đều thấp hơn sắt (khoảng 1.538 °C) một chút.
Niken có hút nam châm không?
Có. Niken là một trong ba kim loại sắt từ ở nhiệt độ phòng, cùng sắt và coban. Tuy vậy inox chứa niken lại thường không hút nam châm, vì niken làm thép chuyển sang cấu trúc tinh thể không có từ tính.
Coban dùng để làm gì?
Coban dùng trong cực dương pin liti-ion, siêu hợp kim cho động cơ phản lực, nam châm chịu nhiệt, mũi cắt hợp kim cứng và chất tạo màu xanh cho thuỷ tinh, gốm.
Dị ứng niken có chữa khỏi được không?
Mẫn cảm với niken thường kéo dài lâu, cách hiệu quả là tránh tiếp xúc với đồ có niken thoát ra nhiều. Khi da phản ứng nặng hoặc kéo dài, cần khám bác sĩ da liễu để được điều trị phù hợp.
Vì sao pin xe điện đang giảm coban?
Coban có nguồn cung tập trung ở ít nơi, giá biến động và có lo ngại về điều kiện khai thác. Các nhà sản xuất tăng tỷ lệ niken trong cực dương hoặc chuyển sang pin liti – sắt – phốt phát không cần coban.
