钒是能源转型的“瓦雷里亚钢”吗？

向低碳经济的转变需要越来越多地依赖可再生能源技术，如风力涡轮机、太阳能电池板和可充电电池。锂离子电池目前处于可再充电储能市场的领先地位。然而，及时开采这些电池所需的矿物，包括锂和钴，以满足《巴黎承诺》的要求，在经济或政治上可能并不可行。预计未来十年内钴和锂都会出现供应短缺。此外，对于这两种矿物的供应链缺乏透明和负责任的采购，人们一直感到关切。
钒氧化还原液流电池或钒液流电池可能成为锂离子电池的有价值的替代品。钒液流电池可以充电数千次而不会退化，这使其成为需要大量循环的项目的理想选择。钒液流电池不仅寿命长，而且非常耐用，可以储存大量的能量。钒液流电池也来源于非易燃材料，使其在大规模固定应用中更安全、更可靠。这些品质使钒液流电池成为大规模电池存储的合法替代品，在某些情况下甚至更优越，尤其是风力和太阳能发电厂。
目前，钒主要用作汽车、齿轮和喷气发动机等产品的钢合金。然而，它对能源部门的重要性正在迅速增长。仅2018年，钒的价格就翻了一番多，达到了历史最高点。这加速了对去年生产的一些矿石的需求和价格的增长——“钒年”。

钒的开采和生产主要集中在四个国家：中国、俄罗斯、南非和巴西。然而，鉴于需求激增，北美的许多矿业公司已透露计划投资勘探，或重新开放美国、加拿大和澳大利亚已关闭的钒矿。例如，能源燃料公司宣布计划重启犹他州的钒生产。2019年3月，加拿大第一钒公司（First Vanadium）将其位于内华达州的钒工厂规模扩大了一倍。回收也是钒的重要来源，总钒催化剂中多达40%来自回收材料。
钒液流电池的能量密度很低，这意味着它们很可能无法取代手机或电动汽车中的锂离子电池。然而，它们在大型固定项目中的应用可能会改变能源转型的游戏规则。
随着我们加快正在进行的能源转型，并日益依赖可再生能源存储技术，战略矿产的透明和负责任采购将变得更加必要。
低碳未来即将到来，钒可能会发挥重要作用。

在《权力的游戏》系列中广受欢迎的现实版瓦雷里亚钢铁是否有可能彻底改变汽车市场？
如果你问《权力的游戏》的粉丝们关于瓦雷里亚钢剑的事，当他们描述它异常的锋利、力量、轻盈和明显的纹路图案时，他们的眼睛很可能会模糊。问问退休的爱荷华州立大学冶金学家约翰·弗霍文教授，关于现实生活中的等效物——大马士革钢剑——你会得到同样的、渴望的回答。
他说：“大马士革钢剑的表面有着独特的波浪图案。”。“但如果你能在显微镜下切开一个，研究它的微观结构，你会看到一层层的碳化物颗粒，看起来像银河系；微小的白点都聚集在一起。”
无论是事实还是虚构，弗霍文和这部史诗奇幻剧的许多粉丝都被这些传奇武器迷住了。但对弗霍文来说，他毕生致力于解开大马士革钢剑之谜，这是他持久的激情。
大马士革的刀刃制造于3世纪至17世纪，刀刃非常锋利，可以在丝绸围巾落地时将其切成两半
大马士革的刀刃制造于3世纪至17世纪之间，刀刃锋利，可以在丝绸围巾落地时将其切成两半。然而，正如Verhoeven所指出的，最后一把剑是在19世纪早期制造的，钢的配方很快就消失了。
据报道，这些剑是由印度制造的“乌兹”钢制成的小钢锭锻造而成。在这里，工匠们将在密封的坩埚中熔化铁和含碳材料，如木炭。冷却和硬化的铸锭随后被运往大马士革，在那里，铁匠们将其加热和锤击，以形成具有致命特性和特征图案的刀片。

再造大马士革钢铁
20世纪80年代的大部分时间，弗霍芬与铁匠阿尔弗雷德·彭德雷（Alfred Pendray）共同制定了一种复制这一过程的方法。到了20世纪90年代，这对夫妇一直在通过锻造和循环加热工艺，使用一种叫做Sorel的铸铁制造类似大马士革的刀片。
Verhoeven解释道：“Al的技术与我们了解到的古代人使用的技术相似。”。“然而，直到1996年，我才意识到这种钢中含有钒的杂质。”事实上，正如冶金学家强调的那样，钒等杂质促进了铸锭锻造过程中碳化物的排列，从而形成了带状图案。
然而，尽管取得了成功，弗霍文的方法却从未走出铁匠的锻造厂。根据这位冶金学家的说法，他们的工艺是劳动和能源密集型的，正如他补充说的：“这太昂贵了，无法商业化。”

开发超可锻钢
但在大马士革钢剑的追逐中，弗霍文并不是唯一一个。在20世纪80年代早期，斯坦福大学的杰弗里·沃兹沃斯教授和奥列格·谢尔比教授正在开发具有高强度、延展性和韧性的超高碳、超可锻钢。
这对夫妇用超高碳钢制造环形部件和锥齿轮，并确信该材料在结构应用中具有巨大潜力，包括用于汽车应用的超高强度板材。
大约在这个时候，研究人员也意识到它们的材料成分与大马士革钢剑的材料成分一致。考虑到这一点，他们继续磨炼“沃兹沃斯-谢尔比”方法，该方法将具有较粗和聚集的碳化铁的超可锻钢复制出来，以产生明显的带状组织。
他们的研究结果登上了头条，他们认为他们已经证明了古代大马士革钢剑可能具有超强的延展性。但是，商业化再次受挫。
正如美国研究机构巴特尔（Battelle）现任总裁沃兹沃斯（Wadsworth）所说：“瑞士苏尔寿兄弟公司（Sulzer Brothers of Switzer）打算将我们的戒指组件商业化，但该项目被放弃了。”
他补充道：“我们尽了最大努力，尽了最大的努力，但我们陷入了成本上升的困境。”。

发展的新阶段
那么，过去商业化尝试的失败是否会让乌兹钢铁和类似大马士革的部件牢牢地留在历史的货架上？考虑到持续的兴趣，也许还没有。
在过去几年中，北京中央钢铁研究所的中国研究人员使用冶金计算软件分析了大马士革刀片数据，并提出了令人惊叹的带状结构的机制。
“将现代汽车用钢的性能与超高碳钢的性能进行比较，看看这些钢的优异强度是否能减轻重量，这将是一件有趣的事情。”
与此同时，德国德累斯顿理工大学（Technische Universität Dresden）的研究人员利用透射电子显微镜精确定位了一把真正的大马士革军刀中的碳纳米管，他们认为这把军刀也可能与带状结构有关。
瑞典Mälardalen大学的研究人员已经生产了几把刀片，而瑞典大马士革钢铁公司则生产“大马士士革花纹钢”，用于制造刀具。英国华莱士收藏馆的考古学家正在使用中子衍射分析（一种对材料具有高渗透性的非破坏性扫描方法）来确定几个古代刀片是如何制造的。
就沃兹沃斯而言，他乐观地认为，随着时间的推移，世界将使用类似大马士革的钢材，而不仅仅是复制古代钢刀。他说：“将现代汽车用钢的性能与超高碳钢的性能进行比较，看看这些钢的优异强度是否可以减轻重量，这将是一件有趣的事情。”。

大马士革的剑有钒钢——霍伊·弗斯
科学家和铁匠们正在逐渐揭开一种传奇剑的神秘面纱。据说，大马士革钢制的剑锋利到可以刺穿纱布头巾或钢盔，而且柔韧到可以弯曲90度而不会折断。
但最后一件是大约两个世纪前制造的，没有人能弄清楚它们的制造秘密——即使有样本可供研究。
然而，现在，线索已经出现，其中一个关键是钢铁的来源——来自印度。

钢的来源
它被称为wootz steel，来源于南印度的一个单词，也就是钢铁。自公元前300年左右以来，印度一直以其钢铁闻名，据说一些印度钢铁被赠送给了亚历山大。古希腊人和罗马人从印度采购钢铁，阿拉伯人将其运到大马士革，在那里使用了好几个世纪12世纪的摩洛哥地理学家阿尔·伊德里西（al-Idrisi）观察到，要想超越印度钢铁的优势是不可能的。
印度钢铁的故事可以在网上找到一本有趣的书，这本书由班加罗尔印度科学研究所的两位主要研究人员S.Srivavasan和S.Ranganathan撰写。
许多研究人员试图找出乌兹钢质量的关键。迈克尔·法拉第（Michael Faraday）是一位铁匠的儿子，他请来了一位刀具和外科器械制造大师詹姆斯·斯托达特（James Stodart）来帮助他，他们尝试在铁中加入各种金属。他们发现，铂和银等贵金属确实能生产出更硬的钢，从而奠定了合金钢制造技术的基础——但它们无法重现乌兹品质。
但瑞典化学家托伯恩·伯格曼（Tobern Bergmann）已经发现了一条关于钢的本质的线索——正是碳含量赋予了钢的强度和柔韧性。今天，钢的碳含量从约0.1%（低碳钢）上升到1%-2%（超高碳钢）——对大马士革钢的分析表明，其碳含量上升了约1.5%——换句话说，与我们今天能生产的最好的钢相比，碳含量上升得很快。
印度钢铁制造商从精心挑选的植物材料中引入了碳，例如一种叫做决明子的常绿灌木的树皮（用于制革）和一种乳草的叶子。植物叶子中的碳之所以特别好，是因为当绿叶燃烧时，它们也会产生氢，这有助于碳吸收到铁中。

增强纤维
碳产生钢的质量的一种方式是通过铁和碳原子的结合形成一种非常坚硬的物质，称为渗碳体（碳化铁）。非常细小的渗碳体颗粒串起着增强纤维的作用，穿过铁体。通过这些弦的正确组合，超高碳钢可以表现出超塑性——可以非常容易弯曲。
在大马士革的剑中，渗碳颗粒串成带状，你可以看到刀片上典型的波浪图案。
但要获得正确数量的这些细小渗碳体串是非常困难的。过高的温度会阻止它们的形成。欧洲人未能复制乌兹钢的一个原因是，除了未能获得足够高的碳含量外，他们还寻求极高的温度，甚至白热。
而波纹图案只在锻造过程中形成——当钢被锤入刀片时。没有人能够弄清楚这种模式是如何形成的。有人猜测这可能是由某种杂质引起的，而硅、硫和磷等物质都存在于古代的乌兹钢中，但都被尝试过，但没有成功。

类型
然后，美国材料科学家约翰·D·弗霍文（John D.Verhoeven）取得了突破。他碰巧把一种叫做索雷尔金属的材料作为铁的来源。这是一种含碳量高于钢（约4至4.5%）的铁，称为球墨铸铁。索雷尔金属是由加拿大圣劳伦斯河上的一个大型钛铁矿矿床生产的，钛铁矿是铁和钛的氧化物。钛被取出用于实际用途，留下的铁非常纯净。
但值得注意的是，铁的来源中有一种杂质是乌兹钢的秘密。这是钒。在Sorel金属中，其浓度可低至0.003%。但是，如果添加到高纯度的铁碳中，则可以产生良好的带状效果。钛也有贡献，但最大的影响来自钒。
看起来，当铁冷却时，微量钒以某种方式从铁中分离出来，这些痕迹形成了非常细的线，渗碳体纤维可以沿着这些线形成。液态铁比固态铁含有更多的杂质。因此，每当铁水冷却时，就会有一小部分杂质被挤出铁水，这些杂质就会像一串串珍珠一样堆积起来。锻造和锤击似乎进一步集中了乐队的力量，Verhoeven与铁匠Alfred H.Pendray共事多年。你可以在Verhoeven为《科学美国人》撰写的故事中看到Pendray制作wootz钢的照片。
因此，钒有助于强化渗碳体的纤维，形成正确的带状结构，仔细锻造和锤击将其打造成大马士革钢的著名图案。

进入更精细的层次
但德累斯顿大学的玛丽安·雷博尔德领导的一个德国团队对渗碳纤维的成因提出了进一步的建议。他们研究了17世纪的大马士革军刀，发现了渗碳纳米线和碳纳米管。碳纳米管是一种非常薄的管子，它的直径只有百万分之一毫米；它的壁由一个原子厚的碳构成。这是首次在钢中发现碳纳米管。图像很美。
德累斯顿大学的研究小组发现，一些渗碳体纳米线包裹在碳纳米管中。因此，他们认为，形成大马士革钢的过程可能始于杂质，这有助于碳纳米管的形成。纳米管充当一种基质，在其中可以形成渗碳纳米线，纳米线会发展成更大的渗碳颗粒。
此外，他们说，人们知道，古代的剑匠曾用酸蚀刻他们的刀刃。这就产生了典型的波浪状明暗线条。此外，他们补充道，酸会溶解表面的一小部分，暴露出耐酸的碳纳米管，从而保护渗碳体核心，并产生无数微小锯齿状牙齿的效果。因此，一个全新的研究领域正在打开，从分子和原子水平上揭示铁和杂质的微妙特性，以了解两千多年前古印度钢铁制造商和大马士革铁匠的技能，他们将这种钢铁变成了传说中的宝剑。