Литий что это за металл

Обновлено: 04.01.2025

Из статьи вы узнаете о ценности лития и всех способах его применения. Мы разберем, где и как он добывается, каковы мировые запасы редкого металла, кто его производит, отправляет на экспорт, как обстоят дела на мировом рынке Lithium.

Без Lithium трудно представить современное производство электроники и электрокаров — это важнейший элемент литий-ионных аккумуляторов наших смартфонов и ноутбуков, а также батарей хранения энергии электрических машин. Спрос на литий ежегодно увеличивается, как и цены на редкий металл.

Литий — это (краткая справка о веществе)

Литий (Lithium, Li) — мягкий и легкий щелочной металл с бело-серебристым оттенком. Человечество знает о его существовании с 1817 года, когда вещество было открыто шведским минералогом Юханом Августом Арфведсоном. Металлический Li впервые был добыт в 1818 британским химиком сэром Гемфри Дэви. Название химического элемента происходит от древнегреческого λίθος — «камень» (из-за того, что первоначально был обнаружен в минералах петалит, лепидолит, сподумен). Интересно, что первоначально именовался «литионом» — известное нам название было предложено несколько позже химиком Йенсом Берцелиусом.

мягкий и пластичный металл, чья твердость находится между твердостью натрия и свинца;
материал, который можно обрабатывать посредством прокатки и прессования;
отличается малыми размерами атомов, что придает ряд особых свойств: к примеру, не смешивается с жидким цезием, рубидием или калием;
наивысшая температура плавления (180,5 °C) и кипения (1340 °C) среди всего спектра щелочных металлов;
самая низкая плотность в условиях комнатной температуры — 0,533 г/куб.см, что в два раза ниже плотности воды (это позволяет литию всплывать не только в Н2О, но в керосиновой массе).

наименее активный щелочной металл, который не дает реакции при комнатных температурах даже на сухой кислород;
относительно устойчив на открытом воздухе, отчего может недолгий период храниться в подобных условиях;
единственный из щелочных металлов, который не держат в керосине по причине его всплытия;
средой для хранения выступают герметично закупоренные жестяные тары, минеральное масло, парафин, газолин или петролейный эфир;
металлический Lithium оставляет ожоги на слизистых оболочках, роговице глаза и влажной коже.

С 1818 Li определяют по качественному признаку: литий и литийные соли способны окрасить пламя в красный оттенок (метод Леопольда Гмелина).

Крупнейшие месторождения лития — где они находятся?

Ученые установили, что содержание Lithium в верхней материковой коре доходит до 21 г/т, а в морских и океанских водах — до 0,17 мг/л. Традиционно месторождения щелочного металла разделяют на две категории:

гранитные редкоземельные интрузии с литиеносными пегмалитами, специфическими онгонитами (магматический топаз + вода, фтор и редкие металлы, среди которых Li) или комплексными гидротермальными богатствами, включающими также висмут, вольфрам, олово и иные металлы;
рассолы древних солончаков и естественных водных линз сильно засоленных озер.

Теоретически литий в аномально больших количествах находится в звездах-сверхгигантах или красных гигантах, системах Ландау-Торна-Житков с нейтронными звездами.

Среди важнейших месторождений Lithium:

«Литиевый треугольник» в Латинской Америке, охватывающий сразу три государства — Аргентину, Боливию и Чили. Именно здесь сосредоточено 70 % глобальных запасов металла, притом ⅔ из них обнаружены на территории Боливии.
Солончак Уюни в Боливии — крупнейшее в мире высохшее соленое озеро.
Бессточное сверхсоленое озеро Чабьер-Цака в Китае, давшее название минералу Zabuyelite — карбонату лития.
Река Амур на российско-китайской границе.
Тахуа, Боливия.

Месторождения щелочного металла обнаружены в государствах:

Чили;
Боливия;
Аргентина;
США;
Конго;
Китай;
Бразилия;
Австралия;
Сербия;
Афганистан.

В случае с Россией более ½ местных литиевых запасов сосредоточены в северной Мурманской области. Относительно крупные месторождения разведаны на юге, в Дагестане — это Южно-Сухокумское (где объемы добычи и производства теоретически могут доходить до 5000-6000 тонн/год), Берикейское и Тарумовское. Также Lithium обнаружен на территории Якутии и Восточной Сибири. При этом страна активно не добывает вещество: затратной добыче предпочитает более дешевый импорт. В РФ действуют экспериментальные установки, а промышленная добыча материала была прекращена после распада Советского Союза.

Добыча лития: где и сколько?

По данным Геологической службы США, темпы добычи редкого металла увеличивается с каждым годом. Так в 2015 было добыто около 32,5 тысячи тонн, а в 2019 — уже 315 тысяч тонн лития. Прогнозируется, что к 2027 это число увеличится восьмикратно. Четверка лидеров добычи остается неизменной — Аргентина, Австралия, Китай и Чили.

The Economist оценил уровень добычи редкого металла в 2021 году:

Общий объем: 100 000 тонн (больше, чем в 2020, на 21 %).
Австралия — 55 000 тонн.
Чили — 26 000 тонн.
Китай — 14 000 тонн.
Аргентина — 6 200 тонн.

Интересно, что лидер по запасам металла, Боливия, добыла всего лишь 600 тонн ценного лития.

Из чего получают литий: основное сырье и способы обработки

Главное сырье для добычи Lithium:

Что касается металлического лития, для его получения в современном мире обращаются к электролизу расплавов солей и дальнейшему восстановлению из оксида. Полученный металл очищается вакуумной дистилляцией — последовательным выпариванием при заданных температурах.

Глобальные ресурсы лития: топ-18 стран с крупнейшими запасами

Оценка и статистика по Lithium осложняется тем, что каждый из источников предоставляет свои данные, которые разнятся между собой (в тоннах):

Аргентина: от 2 до 6 млн.
Австралия: от 220 тысяч до 1,6 млн.
Австрия: от 100 до 113 тысяч.
Боливия: от 5,4 до 5,5 млн.
Бразилия: от 85 до 910 тысяч.
Финляндия: от 13 до 14 тысяч.
Испания: 72 тысячи.
Ирландия: 13 тысяч.
Канада: от 255 тысяч до 1,073 млн.
Конго: 1,14 млн.
Чили: от 3 до 7,52 млн.
Китай: от 1,1 до 6,173 млн.
Португалия: 10 тысяч.
Россия: 2,48 млн.
Сербия: 957 тысяч.
США: от 410 тысяч до 6,62 млн.
Заир: 2,3 млн.
Зимбабве: от 27 до 57 тысяч.

Таким образом, в сумме мир может богат объемами лития от 11 400 000 до 39 300 000 тонн.

В 2021 году USGS (работа Геологической службы Соединенных Штатов) выпустила собственный отчет по мировым запасам лития:

Боливия — 21 млн тонн.
Аргентина — 19,3 млн тонн.
Чили — 9,6 млн тонн.
Австралия — 6,4 млн тонн.
Китай — 5,1 млн тонн.
ДР Конго — 3 млн тонн;
Канала — 2,9 млн тонн.
Германия — 2,7 млн тонн.
Россия — 1 млн тонн.

Всего же в мире, по данным США, 86 млн тонн доказанных запасов лития.

Мировое производство лития: 5 крупнейших предприятий

Глобальный рынок редкоземельного металла, в основном, формируют азиатские, американские и австралийские поставщики. Среди самых значимых производств работают:

Albemarle (США-Чили). Добывает бром и литий в Салар-де-Атакама (Чили) и долине Клейтон (Соединенные Штаты). Этой же компании принадлежит 49 % доли литиевого месторождения Greenbushes.
Pilbara Minerals (Австралия). Разрабатывает литиевый и танталовый актив в западной части континента, является одним из значительных глобальных поставщиков сподумена.
Sichuan Tianqi Lithium (Китай). Крупнейший мировой производитель минерала сподумена, который владеет литий-активами в КНР, Чили и в Австралии.
Jiangxi Ganfeng Lithium (Китай). Один из мега-поставщиков металлического лития, горнодобывающая компания, разрабатывающая месторождения не только в КНР, но и в Аргентине, Ирландии и Австралии.
Sociedad Quimica y Minera de Chile, SQM (Чили). Этому крупному производителю принадлежит 19 % глобального рынка лития. Поставляет, кроме Li, йод, калий и подкормки для с/х культур. Основная зона разработки — Салар-де-Атакама (Латинская Америка).

На сколько лет планете хватит лития?

Проследим за графиком потребления редкого металла, составленным Global Data (в тысячах тонн):

2010: 30.
2011: 40.
2012: 40.
2013: 40.
2014: 40.
2015: 35.
2016: 40.
2017: 50.
2018: 60.
2019: 70.
2020: 110.
2021: 140.
2022: 160.

Эксперты прогнозируют: ожидается, что к 2025 человечество будет потреблять до 200 тысяч тонн лития ежегодно.

Насколько хватит при таких темпах потребления и без того редкого металла? На вопрос трудно ответить даже аналитикам, ведь ученые пока лишь подсчитали литиевые запасы в месторождениях пегматитовых минералов. Сколько ценного элемента скрывают солончаки, до сих пор доподлинно неизвестно. Так, в 2019 на слуху была информация, что планета располагает только 17 млн тонн лития, затем эта цифра увеличилась до 62 млн тонн. Chemetall утверждает, что на планете 28 млн тонн лития и 150 млн тонн карбоната лития (впрочем, данные не раз критиковались как заниженные).

От дефицита Lithium может спасти вторичная переработка литий-ионных аккумуляторов. Уже есть технологии, позволяющие вернуть полноценный металлический литий, однако процесс пока что сложный и дорогой, отчего ведется в малочисленных объемах. Однако на сегодняшний день подсчитано: если человечество будет потреблять 150-200 тысяч тонн лития в год, то запасов материала хватит на 75-100 лет.

Глобальный рынок лития: покупатели и динамика цен

Стоимость редкоземельного металла увеличивается год от года:

2007: 6,3 доллара/килограмм.
2018: 16,5 долларов/килограмм.
2019: 67,5 долларов/килограмм.
2022: 77 долларов/килограмм.

Что касается карбоната лития, он в 2022 году стоит 70 000 долларов за тонну, поскольку в прошлом году максимальная цена составила 13 000 долларов. Причиной увеличения стоимости является огромный спрос со стороны производителей литий-ионных батарей.

Представим важные данные от экспертных агентств:

В январе 2022 карбонат лития на фоне сокращения поставок и роста глобального спроса стал стоить до 48 300 долларов за тонну.
S&P Global свидетельствует: «цены на поставку карбоната лития выросли на 413 % с начала 2021 года по середину декабря до 32 600 долларов США за тонну на условиях CIF (стоимость, страхование, фрахт) в Северной Азии, а цены на гидроксид лития выросли на 254 % за тот же период до 31 900 долларов США за тонну».
Объем глобального рынка металла оценивается в $2,7 млрд.
Суммарные темпы роста литиевого рынка в 2021-2028 годах: от 14,8 % до 26 %.
Весь 2022 год цены на Li будут держаться стабильно высокими.

Среди главных приобретателей лития на глобальных рынках — автомобильная промышленность. Для аккумуляторной батареи одного электрокара Tesla Model S требуется 63 кг лития. В среднем же на аккумулятор электромобиля уходит 44,1 кг чистого лития. К 2023 главными мировыми покупателями (до 100 000 тонн Li в год) станут:

Toyota; ;
Audi;
Porsche;
Volvo;
Hyundai;
Tesla;
Honda.

Помимо производителей электро-авто, металл в больших объемах интересен двум секторам:

Изготовителям смартфонов, ноутбуков, планшетов — для аккумуляторов. Например, Apple покупает 0,58 % от мировых поставок металла.
Поставщикам огромных аккумуляторных систем для нивелирования скачков потребления электроэнергии в часы пик. Для каждого такого супер-аппарата требуется не менее 1 тонны чистейшего лития. Основным производителем является та же «Тесла».

Конкуренция на мировом литиевом рынке происходит по четырем признакам: качество материала, стабильность поставок, богатство ассортимента и наличие полезных закупщикам дополнительных услуг.

Экспорт лития в мире

Основной экспорт редкого металла идет из «Литиевого треугольника» в Южной Америки: вещество обрабатывается на обогатительных заводах SQM (Чили), откуда поступает в чилийский порт Антофагаста для дальнейших зарубежных отправлений. Важнейшими экспортерами выступают (в тысячах тонн в год):

Австралия — 18,3.
Чили — 14,1.
Аргентина — 5,5.

К слову, не все крупнейшие корпорации покупают литий: так, Tesla уже получила от американских властей «зеленый свет» на добычу Li в местности, расположенной в Неваде. Илон Маск сообщил, что его компания может обрабатывать и использовать 10 000 акров глины, обогащенной металлом.

«Вторая нефть»: все способы применения лития

Lithium недаром называется «новой нефтью» — полный спектр его технологических применений необычайно широк:

Химические источники тока: аноды аккумуляторов и гальванических (литиевых) элементов, снабженных твердыми электролитами. Среди самых популярных — литий-ионные, литий-йодные, литий-хлорные, щелочные аккумуляторные батареи.
Полезные сплавы: с медью, золотом и серебром — высокоэффективный припой, со скандием, алюминием, магнием и кадмием — инновационный сверхлегкий материал в космонавтике и авиации, с алюминием — сверхпрочная керамика для металлургии, военной техники, термоядерного сектора, с алюминием и карбидом кремния — огромной прочности стекла, со свинцом — пластичные и коррозионно-устойчивые сплавы.
Электроника: оптический компонент (лития-цезия триборат) в радиотехнике, нелинейные оптико-материалы в оптоэлектронике, акустооптике и нелинейной оптике, наполнение металлогалогенных газоразрядных осветительных конструкций, наполнение электролита щелочных аккумуляторных батарей для увеличения их долговечности.
Общая металлургия: раскисление, увеличение прочности и пластичности сплавов, восстановление редких металлов.
Производство алюминия: важнейший вспомогатель при выплавке цветного металла, а также элемент, позволяющий выделить новые алюминиевые сплавы с повышенной удельной прочностью, стойкостью к ржавлению, растрескиванию, образованию рыхлин.
Лазерная продукция: высокоэффективные лазеры центров свободной окраски, оптика с широкой спектр-полосой пропускания.
Атомный сектор: лития гафниат — элемент покрытия, используемого для захоронений атомных отходов высокой активности с содержанием плутония.
Ядерная энергетика: литий-7 используется в атомных реакторах в роли эффективного теплоносителя.
Термоядерная энергетика: литий-6 при воздействии тепловых нейтронов преображается в радиоактивный тритий 3H.
Термоэлектрический материал: полупроводники для термоэлектропреобразования.
Регенерация кислорода: очистка воздуха пероксидом и гидроксидом лития на пилотируемых космических кораблях и подводных лодках.
Смазочные материалы: «литиевое мыло» (лития стеарат) — загуститель, применяемый в производстве высокотемпературных паст-смазок для различных агрегатов и машин.
Силикатное производство: литиевые соединения применяются в выпуске специального стекла, для упрочнения фарфора.
Окислитель: лития перхлорат в качестве акцептора электронов.
Дефектоскопия: лития сульфат для обнаружения дефектов материалов.
Осушение воздуха и иных газов: бромид и хлорид лития обладают образцовыми гигроскопичными свойствами.
Медицина: лития карбонат и ряд других солей лития — стабилизаторы настроения в психотерапии.
Пиротехника: лития нитрат для окраски фейерверка в красный цвет.
Другое применение: отбеливание швейной ткани, производство косметики, консервация пищевых продуктов, наполнение поплавков батискафов, топливо (металлический Lithium) для силовых паротурбинных установок.
Биологическое, естественное использование: 100-200 мкг лития в сутки необходимо взрослому человеку для нормализации жирового и углеводного обмена, профилактики аллергических реакций, укрепления нервной системы, снижения чрезмерной возбудимости.

Аналитики также выяснили, в каких долях и в каком виде используется литий мировыми производствами: стекло и керамика — 29 %, источники тока — 27 %, смазочные материалы — 12 %, разливка стали — 5 %, регенерация кислорода — 4 %, полимеры — 3 %, производство алюминия — 2 %, фармпродукция — 2 %, иные цели — 16 %. Согласно другому источнику: 40 % — литий-ионные аккумуляторы, 26 % — керамические изделия, 13 % — смазочные материалы, 7 % — металлургия, 4 % — охлаждающие установки, 3 % — полимеры и медицина.

ЛИТИЙ — в космосе, на земле, под водой

«По значимости в современной технике литий является одним из важнейших редких элементов».

Краткая химическая энциклопедия.

Из четырех процентов

История открытия лития началась с …математики. Химик Арфведсон анализировал минерал с рудника Уто. Ученый определил, что это обычный алюмосиликат, и содержание в нем алюминия, кремния и кислорода составляет 96%. Настырный химик задумался — что с оставшимися 4%. Отделив основные составляющие и растворив остаток, он получил раствор со щелочными свойствами. Логично было предположить, что открыт новый элемент.

Описанием минерала, из которого извлекли новый элемент, служат слова: «обычный булыжник». Потому и назвали новый металл литием (litos по латыни камень).

Свойства лития

Литий — щелочной металл, имеет атомный № 3 в таблице Менделеева.

Характеристики:

относится к пластичным и мягким металлам (легко режется ножом);
его легко отличить от других металлов — он самый легкий на Земле, не тонет даже в керосине (плотность почти в 2 раза меньше плотности воды);
структура кристаллической решетки объемноцентрированная, кубическая;
в ряду щелочных металлов у лития самые высокие температуры плавления и кипения.

Химические свойства:

В условиях повышенной влажности реагирует с газами воздуха. Образуются соединения с литием — нитриды, карбонаты, гидроксиды.
Постоянная валентность лития 1+.
С водой реагирует по формуле 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑.
Охотно реагирует с галогенами (кроме йода), образует галогениды.
При температуре от 100 до 300 градусов образует на поверхности оксидную пленку.

Интересно: летящим через океан давали спас-жилет. В нем были порошок от акул, а в подкладку зашивали таблетки гидрида лития (LiH). При попадании в воду таблетки выделяли водород, он наполнял спасательный жилет и не давал утонуть пассажиру.

Месторождения

В природе литий содержится в солевых растворах (подземных водах). Твердые источники часто расположены в пегматитовых рудах. Минералы: сподумен, лепидолит, эльбаит, ядарит.

В России 16 месторождений, но добыча не производится.

Печально: в нашей стране спрос на литий-ионные аккумуляторы покрывается китайским импортом. А могли бы сами производить…

Добыча

В добыче литиевого рассола есть пара проблем — география и надежность.

Рассол выкачивают в «бассейны» — специальные пруды, где естественным выпариванием концентрируется содержание элемента. Нужна постоянно высокая температура (география) и время — процесс занимает до года. Дальше концентрированная рапа (1-2% Li) отправляют на обработку на химзавод.

Твердые источники разрабатываются традиционными методами бурения и переработки.

В мире четыре производителя контролируют 85% добычи (основные — Аргентина и Чили).

К сведению: крупнейшее месторождение лития в Боливии; это солончак Уюни. Там находится 70% мирового промышленного запаса металла.

Производство

Способы получения лития зависит от исходного материала.

Солевые растворы (рапа) выпаривают, затем осаждают литиевое соединение.

Твердые минералы вначале обогащают (с помощью магнитной сепарации, гравитационных методов, а при добыче крупных кристаллов сподумена просто вручную). Производство происходит в основном гидрометаллургическим способом.

Применение

Литий и его соединения используют:

В производстве аккумуляторов и батарей.
В качестве лигатуры в сплавах.
В ядерной энергетике, радиоэлектронике.
В медицине (соединения лития используют в лечении подагры, как психотропные, антидепрессанты).
В пиротехнике (LiNO3 даст фейерверку красный цвет).

Познавательно: добавление LiOH к электролиту в аккумуляторах на 20% увеличивает их емкость, и в 2-3 раза срок службы.

Мировое применение легкого металла распределяется так:

56% производство батарей и аккумуляторов;
23% керамика и стекло;
6% консистентные смазки;
2% воздухоочистка;
13% прочие.

Интересно: очистка воздуха на подлодках и в космических кораблях происходит с помощью соединений лития (LiBr, LiCl, LiOH).

Плюсы и минусы литиевых батарей ?

Эти аккумуляторы и батареи просты в эксплуатации, они постоянно готовы к эксплуатации.

Достоинства	Недостатки
Хороший ресурс эксплуатации (до 10 лет)	Взрывоопасны при нарушении герметичности корпуса
Запас циклов зарядки-разрядки более 1000	Срок службы зависит от времени работы (не от количества циклов зарядка-разрядка)
Нет «эффекта памяти» (батареи можно регулярно подзаряжать)	Работает в ограниченном температурном диапазоне (от -20 до +50оС)
Легкий вес	Высокая цена

Стоимость

Цена лития марки ЛЭ-1 (99,9%) за килограмм 15 000 рублей.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Взрыв и мировой заговор: история создания литий-ионных аккумуляторов

Перед тем как перейти к чтению, посчитайте, сколько устройств с аккумуляторами находится рядом с вами в радиусе нескольких метров. Наверняка, вы увидите смартфон, планшет, «умные» часы, фитнес-трекер, ноутбук, беспроводную мышь? Во всех этих устройствах установлены литий-ионные аккумуляторы — их изобретение можно считать одним из самых важных событий в области энергетики.

Легкие, ёмкие и компактные литий-ионные аккумуляторы способствовали буму портативной электроники, существование которой ранее было невозможным. Вот только гаджеты за последние 30 лет совершили фантастический технологический скачок, а современные литий-ионные аккумуляторы почти не отличаются от первых серийных образцов начала 1990-х годов. Кто и как изобрел литий-ионные перезаряжаемые батареи, какие составы в них используются и существует ли мировой заговор против «вечных» аккумуляторов? Рассказываем.

Легенда о первой батарейке

Между первой попыткой добыть электричество химическим способом и созданием литий-ионных аккумуляторов прошло, возможно, два тысячелетия. Существует неподтверждённая догадка, что первым рукотворным гальваническим элементом в истории человечества была «багдадская батарейка», найденная в 1936 году близ Багдада археологом Вильгельмом Кёнигом. Находка, датируемая II-IV веком до н. э., представляет собой глиняный сосуд, в котором находятся медный цилиндр и железный стержень, пространство между которыми могло заполняться «электролитом» — кислотой или щелочью. Современная реконструкция находки показала, что при заполнении сосуда лимонным соком можно добиться напряжения до 0,4 вольт.

«Багдадская батарейка» вполне похожа на портативный аккумулятор. Или чехол для папирусов? Источник: Ironie / Wikimedia

Для чего могла использоваться «багдадская батарейка», если до открытия электричества оставалась пара тысяч лет? Возможно, ее использовали для аккуратного нанесения золота на статуэтки методом гальванизации — тока и напряжения с «батарейки» для этого вполне хватает. Впрочем, это только теория, ибо никаких свидетельств об использовании электричества и этой самой «батарейки» древними народами до нас не дошло: позолоту в то время наносили методом амальгамирования, а сам необычный сосуд с тем же успехом мог быть всего лишь защищенным контейнером для свитков.

Теория небольшого взрыва

Русская поговорка «Не было бы счастья, да несчастье помогло» как нельзя лучше иллюстрирует ход работ над литий-ионными батареями. Без одного неожиданного и неприятного происшествия создание новых аккумуляторов могло бы задержаться на несколько лет.

Еще в 1970-х годах британец Стэнли Уиттингэм (Stanley Whittingham), работавший в топливно-энергетической компании Exxon, при создании перезаряжаемой литиевой батареи использовал анод из сульфида титана и литиевый катод. Первая перезаряжаемая литиевая батарея демонстрировала сносные показатели по току и напряжению, только периодически взрывалась и травила окружающих газом: дисульфид титана при контакте с воздухом выделял сероводород, дышать которым как минимум неприятно, как максимум — опасно. Помимо этого, титан во все времена был очень дорогим, а в 1970-е цена дисульфида титана составляла порядка $1000 за килограмм (эквивалент $5000 в наше время). Не говоря уже о том, что металлический литий на воздухе горит. Так что Exxon свернули проект Уиттингэма от греха подальше.

В 1978 году Коити Мидзусима (Koichi Mizushima), защитивший докторскую по физике, занимался исследовательской работой в Токийском университете, когда из Оксфорда ему пришло приглашение присоединиться к группе Джона Гуденафа (John Goodenough), занимавшейся поиском новых материалов для батарейных анодов. Это был очень многообещающий проект, так как потенциал литиевых источников питания уже был известен, но укротить капризный металл толком никак не удавалось — недавние эксперименты Уиттингэма показывали, что до начала серийного производства желанных литий-ионных батарей еще далеко.

В экспериментальных аккумуляторах использовались литиевый катод и сульфидный анод. Превосходство сульфидов над другими материалами в анодах задало Мидзусиме и его коллегам направление для поисков. Ученые заказали в свою лабораторию печь для производства сульфидов прямо на месте, чтобы быстрее экспериментировать с различными соединениями. Работа с печью закончилась не очень хорошо: в один день она взорвалась и вызвала пожар. Инцидент заставил команду исследователей пересмотреть свои планы: возможно, сульфиды, несмотря на их эффективность, были не лучшим выбором. Ученые сместили свое внимание в сторону оксидов, синтезировать которые было гораздо безопасней.

После множества тестов с различными металлами, в том числе железом и марганцем, Мидзусима обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует наилучшие результаты. Вот только использовать его надо не так, как до этого предполагала команда Гуденафа, — искать не материал, поглощающий ионы лития, а материал, который охотнее всего отдает ионы лития. Кобальт подходил лучше прочих ещё и потому, что отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.

Применение кобальта стало важнейшим, но не последним шагом в деле создания литий-ионных аккумуляторов. Справившись с одной проблемой, ученые столкнулись с другой: плотность тока оказалась слишком мала, чтобы использование литий-ионных элементов было экономически оправданным. И команда, совершившая один прорыв, совершила и второй: при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удалось повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом с удвоенным напряжением и емкостью.

Первые коммерческие шаги

На этом история изобретения литий-ионных батарей не заканчивается. Несмотря на открытие Мидзусимы, у команды Гуденафа ещё не было образца, готового к серийному производству. Из-за использования металлического лития в катоде во время заряда аккумулятора ионы лития возвращались на анод не ровным слоем, а дендритами — рельефными цепочками, которые, вырастая, вызывали короткое замыкание и фейерверк.

В 1980 году марокканский ученый Рашид Язами (Rachid Yazami) обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен. Вот только существующие в то время органические электролиты быстро разлагались при соприкосновении с графитом, поэтому Язами заменил их твердым электролитом. Графитовый катод Язами был вдохновлен открытием проводимости полимеров профессором Хидэки Сиракавой (Hideki Shirakawa), за что тот получил Нобелевскую премию по химии. А графитовый катод Язами до сих пор используется в большинстве литий-ионных аккумуляторов.

Запускаем в производство? И снова нет! Прошло еще 11 лет, исследователи повышали безопасность батарей, повышали напряжение, экспериментировали с разными материалами катода, прежде чем в продажу поступил первый литий-ионный аккумулятор.
Коммерческий образец был разработан Sony и японским химическим гигантом Asahi Kasei. Им стала батарея для пленочной любительской видеокамеры Sony CCD-TR1. Она выдерживала 1000 циклов зарядки, а остаточная емкость после такого износа была вчетверо выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора аналогичного типа.

Кобальтовый камень преткновения

До открытия Коити Мидзусимой литий-кобальтового оксида кобальт не был особо востребованным металлом. Его основные залежи были обнаружены на территории Африки в государстве, сейчас известном как Демократическая Республика Конго. Конго является крупнейшим поставщиком кобальта — 54% этого металла добывается здесь. Из-за политических потрясений в стране в 1970-х цена на кобальт взлетала на 2000%, но позже вернулась к прежним значениям.

Высокий спрос рождает высокие цены. Ни в 1990-х, ни в 2000-х годах кобальт не был одним из главных металлов на планете. Но что началось с популяризацией смартфонов в 2010-е! В 2000 году спрос на металл составлял примерно 2700 тонн в год. К 2010-му, когда по планете победно шагали iPhone и Android-смартфоны, спрос подскочил до 25000 тонн и продолжил расти год от года. Сейчас количество заказов превышает объем продаваемого кобальта в 5 раз. Для справки: более половины добываемого в мире кобальта идет на производство батарей.

И это же одна из причин, почему производители электрокаров озаботились уменьшением доли кобальта в аккумуляторах автомобилей. Например, Tesla снизила массу дефицитного металла с 11 до 4,5 кг на одну машину, а в будущем планирует найти эффективные составы без кобальта вообще. Поднявшаяся аномально высоко цена на кобальт к 2019 году опустилась до значений 2015 года, но разработчики батарей активизировали работу по отказу или снижению доли кобальта.

В традиционных литий-ионных батареях кобальт составляет порядка 60% от всей массы. Используемый в автомобилях литий-никель-марганцевый состав включает от 10% до 30% кобальта в зависимости от желаемых характеристик батареи. Литий-никель-алюминиевый состав — всего 9%. Однако эти смеси не являются полноценной заменой оксиду литий-кобальта.

Проблемы Li-Ion

На сегодняшний день литий-ионные батареи различных типов — это лучшие аккумуляторы для большинства потребителей. Ёмкие, мощные, компактные и недорогие, они всё же имеют серьёзные недостатки, ограничивающие область использования.

Пожароопасность. Для нормальной работы литий-ионному аккумулятору обязательно нужен контроллер питания, предотвращающий перезаряд и перегрев. В противном случае батарея превращается в очень пожароопасную вещь, норовящую раздуться и взорваться на жаре или при заряде от некачественного адаптера. Взрывоопасность — пожалуй, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов. Для повышения ёмкости внутри батарей уплотняется компоновка, из-за чего даже незначительное повреждение оболочки моментально приводит к пожару. Все помнят нашумевшую историю с Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты внутри корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь проникал кислород и смартфон внезапно вспыхивал. С тех пор некоторые авиакомпании требуют перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади, а на грузовых рейсах на упаковки с батареями лепят большую предупреждающую наклейку.

Разгерметизация — взрыв. Перезаряд — взрыв. За энергетический потенциал лития приходится платить мерами предосторожности

Старение. Литий-ионные батареи подвержены старению, даже если их не использовать. Поэтому купленный в качестве коллекционного нераспакованный смартфон 10-летней давности, например, самый первый iPhone, будет держать заряд значительно меньше из-за того самого старения батареи. Кстати, рекомендации хранить аккумуляторы заряженными до половины емкости имеют под собой основания — при полном заряде во время долгого хранения батарея гораздо быстрее теряет свою максимальную ёмкость.

Саморазряд. Накапливать в литий-ионных батареях энергию и хранить ее долгие годы — плохая идея. В принципе, все аккумуляторы теряют заряд, но литий-ионные делают этого особенно быстро. Если NiMH-ячейки теряют 0,08–0,33% за месяц, то Li-Ion-ячейки — по 2-3% в месяц. Таким образом, за год литий-ионных аккумулятор потеряет треть заряда, а через три года «сядет» до нуля. Справедливости ради скажем, что у никель-кадмиевых батарей всё ещё хуже — 10% в месяц. Но это совсем другая история.

Чувствительность к температуре. Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры такого аккумулятора: +20 °C градусов считаются идеальной температурой окружающей среды для литий-ионных батарей, если её уменьшить до +5 °C, то батарея отдаст устройству на 10% энергии меньше. Охлаждение ниже нуля забирает от емкости десятки процентов и к тому же влияет на здоровье аккумулятора: если пытаться его зарядить, например, от пауэр-банка — проявится «эффект памяти», а батарея безвозвратно потеряет емкость из-за образования на аноде металлического лития. При средних зимних российских температурах литий-ионная ячейка нефункциональна — оставьте телефон в январе на улице на полчаса, чтобы убедиться в этом.

Кто украл революцию?

В конце 00-х Toshiba экспериментировала с перезаряжаемыми топливными ячейками на метаноле (на фото заправка батареи метанолом), но литий-ионные аккумуляторы всё равно оказались удобней. Источник: Toshiba

И, конечно, оставим в стороне теорию заговоров «производителям не выгодны бесконечные аккумуляторы». В наше время аккумуляторы в потребительских устройствах незаменяемые (вернее, поменять их можно, но сложно). 10-15 лет назад заменить испорченную батарею в мобильном телефоне было просто, но тогда источники питания и правда сильно теряли ёмкость за год-два активного использования. Современные литий-ионные аккумуляторы работают дольше, чем составляет средний жизненный цикл устройства. В смартфонах о замене батареи можно задумываться не ранее, чем через 500 циклов зарядки, когда она потеряет 10-15% емкости. И скорее сам телефон утратит актуальность, прежде чем аккумулятор окончательно выйдет из строя. То есть производители аккумуляторов зарабатывают не на замене, а на продаже батарей для новых устройств. Так что «вечная» батарейка в десятилетнем телефоне не нанесёт ущерба бизнесу.

Команда Гуденафа снова в деле

А что же стало с учеными группы Джона Гуденафа, совершившими открытие литий-кобальтового оксида и тем самым давшими жизнь эффективным литий-ионным аккумуляторам?

Коити Мидзусима продолжает исследовательскую работу в Toshiba Research Consulting Corporation. «Оглядываясь назад, я удивляюсь тому, что никто до нас не догадался использовать на аноде такой простой материал как оксид литий-кобальта. К тому моменту было испробовано множество других оксидов, поэтому, вероятно, если бы не мы, то в течение нескольких месяцев кто-нибудь другой совершил бы это открытие», — считает он.

Коити Мидзусима с наградой Королевского химического общества Великобритании, полученной за участие в создании литий-ионных аккумуляторов. Источник: Toshiba

История не терпит сослагательных наклонений, тем более что и сам господин Мидзусима признает, что прорыв в создании литий-ионных аккумуляторов был неизбежен. Но всё же интересно представить, каким был бы мир мобильной электроники без компактных и емких батарей: ноутбуки с толщиной в несколько сантиметров, огромные смартфоны, требующие зарядки два раза в день, и никаких умных часов, фитнес-браслетов, экшн-камер, квадрокоптеров и даже электромобилей. Каждый день ученые всего мира приближают новую энергетическую революцию, которая подарит нам более мощные и более компактные аккумуляторы, а вместе с ними — невероятную электронику, о которой мы пока можем только мечтать.

Литий: зачем нужен, как добывается и хватит ли его нам?

Так выглядит литийсодержащая руда
Литий — один из критически важных элементов для всей нашей цивилизации. Конечно, когда мы говорим о литии, на ум сразу приходят Li-ion батареи. И действительно, львиная доля добываемого лития уходит на нужды производителей аккумуляторов. Тем не менее, он используется и в других сферах.

Например, в металлургии, как черной, так и цветной, — металл применяется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Также с его помощью производят стекла, которые частично пропускают ультрафиолет, он применяется в керамике. И это если не говорить о ядерной энергетике и атомной технике — его используют для получения трития. Короче, литий в буквальном смысле нарасхват. Под катом — поговорим об аккумуляторах, Tesla, способах добычи лития и его дефиците.

Но главное, конечно, батареи

Да, сейчас большая часть добываемого в мире лития уходит на производство литиевых аккумуляторов. По расчетам, на производство одной батареи для Tesla Model S требуется 63 кг этого металла с 99,5% чистоты.

Теперь давайте подумаем, что будет, если все, абсолютно все автомобили внезапно станут электрическими, с литиевыми батареями. По данным на 2016 год автомобилей в мире было 1,3 млрд. Сейчас, наверное, еще больше, но окей, воспользуемся этими данными четырехлетней давности.

Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на треть. Получается, что на одну такую батарею необходимо 44,1 кг чистейшего лития. Для наших 1,3 млрд автомобилей нужно 57,33 млрд кг лития. Неплохо, это 57,33 млн тонн лития, и только для нужд автомобильной промышленности.

К 2023 году массовое производство электромобилей стартует на предприятиях Mercedes, BMW, Toyota, Ford, Audi, Porsche, Volvo, Huyndai, Honda. По подсчетам экспертов, эти компании будут производить около 15 млн электрокаров ежегодно, на что потребуется около 100 000 тонн лития в год.

Но ведь не электромобилями едиными. У нас же в ходу миллиарды экземпляров разной техники с аккумуляторами — смартфонов, ноутбуков, планшетов и т.п. Они маленькие, да, но и для них понадобится много лития. Правда, гораздо меньше, чем для батарей электромобилей — на производство батарей для мобильных устройств уходит несколько процентов общемирового производства лития. В 2017 году Apple использовала всего 0,58% общемировых объемов добычи этого металла.

Но есть и другие батареи. Та же Tesla разрабатывает и реализует огромные аккумуляторные системы, которые служат для нивелирования скачков потребления энергии в пиковые часы. В крупном аккумуляторе содержится не менее тонны лития. Пока что производство таких систем не слишком масштабное, но через время все может измениться.

В целом, общемировое потребление лития к 2025 году составит не менее 200 000 тонн этого металла.

А как его добывают и хранят?

Литий — очень активный химически металл, поэтому его добыча ведется несколько отличными от добычи большинства прочих, обычных металлов способами. Есть два способа выделить Li.

Первый — из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. В Австралии, например, его добывают из сподумена, руды лития, минерала, который относится к пироксенам.

Второй — из глин солончаков. Такие есть в Южной Америке и той же Неваде, о которой говорилось выше. Насыщенные литием рассолы можно «обогащать» при помощи испарителя на солнечной энергии. Затем, после достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время — от 18 до 24 месяцев. Именно такой способ планирует использовать Маск.

У второго способа есть проблемы: при получении лития таким способом литий получает примеси — железо или магний (от магния сложнее всего избавиться). Тем не менее, на солончаковых землях много лития, и это делает второй способ очень привлекательным — от примесей все же можно избавиться.

К слову, солончаки как раз не входят в списки разведанных месторождений, поскольку добыча лития выпариванием солевых растворов — новый метод, который ранее не применялся. Так что вполне может быть, что запасов лития на Земле гораздо больше, чем считается.

Очень много лития в солончаковой пустыне Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии. Под твердой коркой находится жидкий рассол с концентрацией лития в 0,3%.

Есть и другие способы, но все они чисто лабораторные. Например, пару лет назад на Хабре публиковалась новость о том, что литий можно добывать из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран.

Они копируют механизм фильтрации — ионную селективность — мембран биологических клеток в живых организмах. Кроме лития, этот способ дает и пресную воду, тоже ценный продукт. Но, к сожалению, ни стоимость, ни возможность масштабирования этого способа не освещены учеными. Да и спустя два года о коммерциализации метода так ничего и не слышно.

Еще литий можно добывать… из литиевых батарей. То есть перерабатывать батареи, получая снова металлический литий и другие необходимые для создания аккумуляторов материалы. Но пока что переработка батарей ведется в малых объемах. Это достаточно сложный и дорогой процесс, так что в ближайшее время вряд ли мы услышим о строительстве крупных заводов по переработке батарей. Да, ученые работают над этим, но все это пока что лишь исследования.

Сколько всего лития на Земле?

Да не так уж и много. Вернее, того, что разведали, относительно немного. В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России — около 900 000 тонн. Если взять потенциально «плодородные» месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.

Два года назад добыто было около 36 000 тонн. При этом 40% металла идет на аккумуляторы, 26% —на производство керамических изделий и стекла, 13% — выпуск смазочных материалов, 7% —металлургию, 4% — системы кондиционирования, 3% — медицина и полимеры.

Основные поставки лития ведутся из Австралии (18,3 тыс. тонн в год), затем Чили (14,1 тыс. тонн в год) и Аргентина (5,5 тыс. тонн в год). В ближайшее время поставщики лития планируют увеличить объемы его добычи и поставки на мировой рынок.

Кстати, компания Tesla, один из крупнейших потребителей лития, получила право на самостоятельную добычу металла в штате Невада, США. Илон Маск заявил, что его компания получила доступ примерно к 10 тыс. акров богатых литием залежей глины в Неваде.

Литий для всех, и пусть никто не уйдет обиженным?

Речь о недалеком будущем, когда понадобится производить гораздо больше литиевых батарей, чем сейчас. Насколько ученые могут судить, на ближайшие несколько лет этого металла хватит всем.

С течением времени компании найдут способ снизить количество лития в батареях — уже сейчас ведутся исследования на эту тему. Скорее всего, добыча лития из рассолов тоже станет наращивать обороты, так что общие объемы металла возрастут, и весьма значительно.

Но что будет через 10-20-30 лет? Сложно сказать. Возможно, «выстрелит» новая технология производства аккумуляторов, предложенная учеными или корпорациями. А может быть, специалисты смогут изменить конструкцию текущих аккумуляторов, значительно сократив количество лития, необходимое для производства одной батареи.

В целом, пока что пути решения проблемы дефицита лития есть, и их немало. Давайте вспомним об этом вопросе лет через 5 и обсудим изменения здесь же, на Хабре. Хотелось бы надеяться, к тому времени не начнутся «литиевые войны», ведь этот металл уже называют «новой нефтью».

Литий металл. Свойства лития. Применение лития

Литий – элемент, с отношением к первой группе, во втором периоде таблицы, его атомный номер – 3. Формула лития — Li₂O. Элемент открыли в 1817 г., был произведён только 1825 г. Название дословно переводится как «камень».

Литий – это металл, с щелочными свойствами, серебристого цвета, обладающий выраженными пластичными свойствами. Легко поддаётся обработке. Характерен наиболее большой температурой плавления, это 180,54º С, кипения — 1340º С и низкой плотностью по сравнению с остальными металлами щелочного ряда. Его плотность ниже плотности воды. Это позволяет ему оставаться на плаву на водной поверхности и даже в керосине.

Атом лития своими небольшими размерами позволяет металлу выказывать определённые свойства. Смешение с натрием происходит только в определённой температуре,а с цезием, рубидием и кадмием, он не смешиваться вовсе. Остальные металлы этого ряда подобными свойствами не обладают.

Не смотря на то, что литий это металл с щелочных свойств, он наименее активный из всех прочих, и с кислородом не взаимодействует, с сухим тоже. Поэтому хранить его в керосине, защищая от взаимодействия с кислородной средой, как это делается с другим щелочным металлам, нет необходимости.

К тому же это бесполезно – на практике он всё равно всплывёт на поверхность. Поэтому его можно спокойно хранить на открытом воздухе длительное время, не опасаясь, что в нём произойдут нежелательные изменения.

При достаточной влажности происходит реакция с азотом и другими газами, растворёнными в воздухе. Превращения зависят от свойств контактирующего агента (газа). Может образоваться гидроксид, карбонат или нитрит лития. В процессе нагревания в кислородной среде образуется оксид лития Li2O.

Определить литий несложно – оказавшись в открытом пламени, он окрашивает его своеобразными красными оттенками. Самовоспламеняется при 300º С. Следует быть осторожным при этих процессах, так как продукты его горения раздражающе действуют на оболочки дыхательных путей, а также глаза. Также он может вызвать ожоги, попадая на мокрую кожу.

Реакция на воду спокойная, при неё образуется гидроксид лития и водород. Также характерны реакции с этилом, водородом, и аммиаком. Реакция на серу происходит при 130º С, с образованием сульфидов. На углерод реагирует при 200º С, в полном вакууме, во время этого образуется ацетиленид. Растворяясь в аммиаке, образует раствор синеватого цвета.

При необходимости длительного хранения литий хранится в отдельных коробках из жести, погружённый в петролинейный эфир или парафин.

Месторождения и добыча лития

Литий представитель литофильных фрагментов ионного происхождения, из них можно отметить цезий, калий и рубидий. К основным минералам, содержащим литий, относятся пироксен, сподумен, слюда и лепидолит. Помимо его нахождения в самостоятельно образованных минералах, его можно обнаружить на месте калия в сторонних соединениях.

Образование лития происходит на почве редкометальных гранитных интрузий, в литиеносных пегматитах или гидротермальных месторождениях, которые помимо лития, в комплексе с вольфрамом, висмутом, оловом и т.д. Наиболее высокая концентрация лития, присуща породам онгонитам – гранитам, содержащих большое количество воды и фтористых образований.

В определённом количестве литий содержит вода в сильносолёных озёрах. Его месторождения имеются в Бразилии, Аргентине, Чили, Канаде, США, Конго, Швеции, Испании, Афганистане, Китае, и Австралии. А также в России, где половина залежей содержащих этот элемент, находится в Мурманской области.

Применение лития

Литий применяется в изготовлении керамики и стеклянной продукции, источников напряжения, горюче-смазочных материалов и полимеров, а также в металлургической промышленности и фармацевтике.

Нередко для устройства требуется мощный и ёмкий аккумулятор. Литий наиболее подходящая составляющая для его изготовления. Если для начинки используется литий, батарея прослужит гораздо дольше. Можно отметить, например, литий-ионный тип подзаряжающихся батарей.

Купить аккумуляторы литийного типа можно двух типов. Разница заключается в используемых электролитах. Литий-ионный аккумулятор – содержит электролит гелевого типа. Модель используется для питания большинства портативной электротехники, в частности, сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.

Литий-полимерный аккумулятор – усовершенствованный вариант первого. В виде начинки используется полимер, содержащий литий. Для устройств имеющих большое потребление энергии, более подходит литий-полимерный вариант.

Также литий добавляют в электролиты других типов аккумулирующих устройств, например, щелочного вида. Это значительно повышает их ёмкость и срок эксплуатации.

Литий, в частности, применяется в металлургической промышленности при изготовления различных необходимых сплавов. Изготовляются сплавы с золотом , серебром , кадмием, магнием, и медью . Эти сплавы нашли своё применение в различных космических и авиационных технологиях.

Для военных нужд, с применением лития, изготовляются керамические элементы для различной техники и особо крепкое стекло . Также он используется в радиотехнических и оптических областях. Литий также применяется в металлогалогеновых лампах.

Идёт этот металл и на медицинские нужды. Доказано, что в небольшом количестве он необходим для нормальной работы организма. Его содержат все внутренние органы. Он участвует во многих обменных процессах и стимулирует иммунитет. Он применяется в препаратах для лечения психологических заболеваний и благотворно сказывается на работе нервной системы.

Цена лития

До 2008 г цена на литий постепенно росли, потом в связи с экономическим кризисом заметно упали. Если в то время цена на килограмм лития составляла порядком 66 долларов, то позже она понизилась с отметки 6,5 тыс. долларов до 5 тыс. долларов за тонну продукта, и после почти не поменялась. Но данные расценки относятся к товару относительно низкого качества.

На более чистый продукт, идущий, например, на изготовление батарей, идёт соответствующая накрутка около 700-800 $. Производители, несмотря на это, предпочитают доплачивать за качество, поэтому доходы от надбавки пока стабильные. Резкого повышения цен в обозримом будущем не ожидается. Чистый литий купить можно будет, приблизительно, за 6 тыс. долларов за тонну.

Прогнозы мирового рынка лития дают определённые надежды на его развитие. Это в основном обусловлено новыми амбициозными проектами в области строения электромобилей, для которых использоваться будут соответственно литиевые аккумуляторы.

С каждым годом этот проект становится всё более реальным, в связи со злободневностью загрязнения окружающей среды выхлопными газами и повышенным спросом на доступные средства передвижения.

Особенно проблема актуальна для развивающихся стран. Но сама технология ещё сырая, в частности, это проблема с хорошими дорогами, и электрическими заправками. Поэтому крупных подвижек на мировом рынке лития в ближайшие годы не предвидится.

Читайте также: