Литий для электромобилей: в фрг будут добывать его без ущерба для природы?

Нахождение в природе

Геохимия лития

Литий по геохимическим свойствам относится к крупноионным литофильным элементам, в числе которых калий, рубидий и цезий. Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, в морской воде 0,17 мг/л.

Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi_1,5Al_1,5[Si₃AlO₁₀](F, OH)₂ и пироксен сподумен — LiAl[Si₂O₆]. Когда литий не образует самостоятельных минералов, он изоморфно замещает калий в широко распространённых породообразующих минералах.

Месторождения лития приурочены к редкометалльным гранитным интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово, вольфрам, висмут и другие металлы. Стоит особо отметить специфические породы онгониты — граниты с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды и исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, в том числе и лития.

Другой тип месторождений лития — рассолы некоторых сильносолёных озёр.

Месторождения

Месторождения лития известны в Чили, Боливии (Солончак Уюни — крупнейшее в мире), США, Аргентине, Конго, Китае (озеро Чабьер-Цака), Бразилии, Сербии, Австралии.

В России более 50 % запасов сосредоточено в редкометалльных месторождениях Мурманской области.

Изотопы лития

Основная статья: Изотопы лития

Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %); в некоторых образцах лития изотопное соотношение может быть сильно нарушено вследствие природного или искусственного фракционирования изотопов. Это следует иметь в виду при точных химических опытах с использованием лития или его соединений. У лития известны 7 искусственных радиоактивных изотопов (4Li − 12Li) и два ядерных изомера (10m1Li и 10m2Li). Наиболее устойчивый из них, 8Li, имеет период полураспада 0,8403 с. Экзотический изотоп 3Li (трипротон), по-видимому, не существует как связанная система.

7Li является одним из немногих изотопов, возникших при первичном нуклеосинтезе (то есть в период от 1 секунды до 3 минут после Большого Взрыва) в количестве не более 10−9 от всех элементов. Некоторое количество изотопа 6Li, как минимум в десять тысяч раз меньшее, чем 7Li, также образовано в первичном нуклеосинтезе.

Примерно в десять раз больше 7Li образовались в звёздном нуклеосинтезе. Литий является промежуточным продуктом реакции ppII, но при высоких температурах активно преобразуется в два ядра гелия-4 (через 8Be).

В космосе

Аномально высокое содержание лития наблюдается в звёздных образованиях, состоящих из красного гиганта (или сверхгиганта), внутри которого находится нейтронная звезда — объектах Ландау — Торна — Житкова.

Также имеется большое количество звёзд-гигантов с необычно высоким содержанием лития, что объясняется попаданием лития в атмосферу звёзд при поглощении ими экзопланет-гигантов.

Химические свойства

Литий является щелочным металлом, однако относительно устойчив на воздухе. Литий является наименее активным щелочным металлом, с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре практически не реагирует. По этой причине литий является единственным щелочным металлом, который не хранят в керосине (к тому же плотность лития столь мала, что он будет в нём плавать); он может непродолжительное время храниться на воздухе.

Во влажном воздухе медленно реагирует с азотом и другими газами, находящимися в воздухе, превращаясь в нитрид Li₃N, гидроксид LiOH и карбонат Li₂CO₃.

 6Li + N₂ ⟶ 2Li₃N

 2Li + 2H₂O ⟶ 2LiOH + H₂

Поэтому длительно литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметически закрытых жестяных коробках.

В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li₂O.

 4Li + O₂ ⟶ 2Li₂O

Интересная особенность лития в том, что в интервале температур от 100 °C до 300 °C он покрывается плотной оксидной плёнкой и в дальнейшем не окисляется. В отличие от остальных щелочных металлов, дающих стабильные надпероксиды и озониды; надпероксид и озонид лития — нестабильные соединения.

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин установил, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, это является качественным признаком для определения лития. Температура самовоспламенения находится в районе 300 °C. Продукты горения раздражают слизистую оболочку носоглотки.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой, образуя LiOH и H₂.

 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂

Реагирует также с этиловым спиртом (с образованием этанолята):

 2Li + 2C₂H₅OH ⟶ 2C₂H₅OLi + H₂

Вступает в реакцию с водородом (при 500—700 °C) с образованием гидрида лития:

 2Li + H₂ ⟶ 2LiH

Реагирует с аммиаком при нагревании, при этом сначала образует амид лития (220 °C), а затем имид лития (400 °C):

 2Li + 2NH₃ ⟶ 2LiNH₂ + H₂ 

 2Li + NH₃ ⟶ Li₂NH + H₂ 

Реагируя с галогенами (с йодом — только при нагревании, выше 200 °C) образует соответствующие галогениды:

 2Li + F₂ ⟶ 2LiF

 2Li + Cl₂ ⟶ 2LiCl 

 2Li + Br₂ ⟶ 2LiBr

 2Li + I₂ ⟶ 2LiI 

При 130 °C реагирует с серой с образованием сульфида:

 2Li + S ⟶ Li₂S

В вакууме при температуре выше 200 °C реагирует с углеродом (образуется ацетиленид):

 2Li + 2C ⟶ Li₂C₂ 

При 600—700 °C литий реагирует с кремнием с образованием силицида:

 4Li + Si ⟶ Li₄Si 

Химически растворим в жидком аммиаке (−40 °C), образуется синий раствор.

В водном растворе ион лития имеет самый низкий стандартный электродный потенциал (−3,045 В) из-за малого размера и высокой степени гидратации иона лития.

Металлический литий вызывает ожоги при попадании на влажную кожу, слизистые оболочки и в глаза.

Нахождение в природе

Геохимия лития
Литий по геохимическим свойствам относится к крупноионным литофильным элементам, в числе которых калий, рубидий и цезий. Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, в морской воде 0,17 мг/л.
Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi_1.5Al_1.5[Si₃AlO₁₀] (F, OH)₂ и пироксен сподумен — LiAl [Si₂O₆]. Когда литий не образует самостоятельных минералов, он изоморфно замещает калий в широко распространенных породообразующих минералах.
Месторождения лития приурочены к редкометалльным гранитным интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово, вольфрам, висмут и другие металлы. Стоит особо отметить специфические породы онгониты — граниты с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды, и исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, в том числе и лития.
Другой тип месторождений лития — рассолы некоторых сильносоленых озёр.

Месторождения
Месторождения лития известны в России (более 50% запасов страны сосредоточено в редкометальных месторождениях Мурманской области), Боливии, Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве, Конго.

FMC: Есть преимущества, но литиевый бизнес относительно невелик

У FMC (NYSE: FMC) три направления бизнеса: добыча лития, решения для сельского хозяйства, а также здравоохранение и питание, но последнее направление скоро будет передано DuPont. Компания из Филадельфии показывает отличные результаты, однако доля литиевого бизнеса в ее общей выручке и прибыли (11% и 20%, соответственно, во втором квартале) заметно ниже, чем у Albemarle и SQM. Таким образом, ее акции не подходят инвесторам, которые хотели бы инвестировать именно в литиевый бизнес.

Тем не менее, FMC также расширяет свое производство лития, чтобы удовлетворить высокий спрос на сырье для батарей. В мае компания представила трехэтапный план, который позволит ей довести объем производства гидроксида лития по меньшей мере до 30 тыс. тонн к 2019 году. Реализация первого этапа плана началась во втором квартале 2017 года.

FMC утверждает, что она самая вертикально интегрированная компания в отрасли. Ей принадлежит месторождение лития Salar del Hombre Muerto в Аргентине, а также обрабатывающие и производственные мощности, на которых из хлорида лития получается карбонат лития, который затем перерабатывается в такие продукты, как металлический литий, гидроксид лития, бром и гипохлорид. Ни у Albemarle, ни у SQM нет собственных месторождений лития в Чили.

Ранее в этом году FMC объявила о покупке части бизнеса DuPont по производству веществ для защиты растений. По мнению Европейской , DuPont должна была избавиться от этого бизнеса перед объединением с Dow Chemical. Взамен DuPont получит бизнес FMC по производству товаров для здоровья и продуктов 1,2 млрд долларов наличными. FMC ожидает, что эти транзакции будут закрыты 1 ноября.

Литий — общие сведения

Среднее содержание лития в земной коре 0,004—0,006%, наиболее богаты им граниты (0,004—0,018%) и гранитные пегматиты.

Литий — литофильный элемент, по своим геохимическим свойствам близок к натрию, а по кристаллохимическим — к магнию и железу.

В гипергенных условиях он рассеивается, и лишь изредка его повышенные количества устанавливаются в рапе соляных озер.

Литий, относящийся к группе щелочных металлов, химически весьма активен и легко окисляется на воздухе, но менее активен, чем калий и натрий. Это очень мягкий легкий металл плотностью 0,534 г/см3; он плавится при 186 °С и сохраняется в жидком виде в очень большом интервале температур — до 1200—1400 °С.

В настоящее время литий — один из наиболее важных для промышленности редких элементов. За последние 25—30 лет литий нашел применение во многих отраслях промышленности и потребление ого выросло в десятки раз, достигнув за рубежом 21 тыс. т.

Литий используется как легирующий компонент в легких и ультралегких сплавах, применяется как жидкий теплоноситель в атомных реакторах; литий и получаемый из него тритий — главные компоненты водородных бомб.

Гидрид лития служит портативным источником водорода в морском спасательном снаряжении и входит в состав ракетного топлива.

Гидрид лития применяется в долговечных и безвредных дли окружающей среды аккумуляторах, в аппаратах очистки и кондиционирования воздуха, в подводных лодках, космических кораблях и на промышленных предприятиях, а также в смазочных маслах, работающих в очень широком диапазоне температур.

В последние годы литий стал в большом количестве применяться в составе электролитов при электролизе алюминия.

Весьма перспективно применение лития в новых отраслях техники — химических источниках тока, МГД-генераторах, преобразующих тепловую энергию в электрическую, в термоядерных электростанциях и т. д.

Соединения лития используются в производстве некоторых видов пластмасс, синтетических каучуков и медикаментов. Красиво окрашенные разновидности сподумена — кунцит (фиолетовый) и гидденит (зеленый) — применяются в ювелирном деле.

Зачем человеку литий

Продажи электротранспорта растут не только в России, но и в мире: по данным The Guardian, в 2020 году рост составил 43%, а в Северной Европе доля рынка электромобилей достигла 54%. Это значит, что добыча редкого металла затронет еще больше уголков нашей планеты.

Литиевые аккумуляторы быстро заряжаются (время зарядки электробуса — 20 минут), не выделяя при этом вредных веществ, и обладают высокой эффективностью: используется до 95% энергии батареи. Кроме того, литий – самый легкий металл на планете, что повышает его привлекательность у производителей. По прогнозам Bloomberg, к 2030 году потребность в литиевых батареях увеличится в девять раз.

Литий — не новый для человечества металл, его использовали с 19 века: сначала в производстве стекла и фарфора, позднее — в металлургии и атомной энергетике. В начале 21 века спрос на литий резко вырос — в первую очередь из-за развития гаджетов и электротранспорта. Для производства одной батареи для электромобиля Tesla Model S, например, требуется 63 кг лития! 

В 2019 году мировое потребление лития оценивалось в 57 700 тонн — это на 18% больше, чем годом ранее. Аналитическая компания GlobalData прогнозирует, что к 2024 году спрос на редкий металл увеличится в два с половиной раза — до 117 тысяч тонн. Это значит, что добыча редкого металла затронет еще больше уголков нашей планеты.

[править] Изотопы

Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %); в некоторых образцах лития изотопное соотношение может быть значительно нарушено вследствие природного фракционирования изотопов. Известно 7 искусственных радиоактивных изотопов лития (от 4Li до 12Li). Самый стойкий из них, 8Li, имеет период полураспада 0,8403 с. Экзотический изотоп 3Li (трипротон), видимо, не существует как связанная система.

7Li является одним из немногих изотопов, образовавшихся во время первичного нуклеосинтеза (то есть вскоре после Большого Взрыва), а не только в звездах.

Где используется

Использование металла отражает тенденции развития технологий.

Традиционные отрасли

До недавнего времени главными сферами применения металла были ядерная отрасль и металлургия:

• Литий идет на стержни для реакторов. Жидкий изотоп служит теплоносителем в ядерных реакторах. Из него получают тритий.
• Металлургией используются сплавы, улучшающие характеристики продукта: прочность, устойчивость к коррозии, пластичность.
• Это также стекла, задерживающие часть ультрафиолета, керамика, пигмент для окрашивания тканей, ингредиент косметических препаратов.

Литий в сплавах с другими металлами – новое поколение материалов для авиации, космонавтики, оборонпрома.

Новые сферы

Сегодня главные потребители сырья – IT-сфера и автопром нового поколения. Речь о литиевых аккумуляторах для гаджетов (айфоны, ноутбуки, планшеты) и электрокаров. В первую очередь автомобилей корпорации Илона Маска Tesla.

Литий-ионный аккумулятор

К 2023 году поставить производство электромобилей на поток намерены автогиганты США, Японии, Европы (Audi, Ford, Honda, Mercedes, BMW, другие). Годовая потребность в металле составит 96-98 тысяч тонн.

Резкое увеличение спроса

Наращивание производства литий-ионных батарей со стороны производителей электрических автомобилей серьезно подстегнет мировой спрос на литий. Потенциально это может совпасть с повышением спроса на портативную потребительскую электронику, что произведет самый настоящий шторм. Производители начнут искать новые источники поставок лития. Вот почему все больше внимания обращается на Афганистан с его литиевыми месторождениями.

По словам аналитика Джей Джейкобса из нью-йоркской компании Global X Funds, заинтересованной в добыче лития, на сегодняшний день есть только два региона с огромными запасами лития – это Афганистан и Боливия. Но, как говорит его французский коллега Уильям Тахил из Material International Research, рано или поздно запасы лития в Боливии истощатся, что заставит взяться за добычу этого металла в Афганистане. Это случится сразу же, как только произойдет серьезный скачок спроса на литий, сходятся во мнении эксперты.

Нестабильная политическая ситуация в Афганистане может сыграть на руку добывающим компаниям.

Как добыча влияет на природу

Для выпаривания литиевых рассолов требуется огромное количество воды. Например, чтобы добыть одну тонну металла, нужно израсходовать почти 2 млн литров!

Проблема в том, что большинство известных месторождений богатого литием рассола находятся в засушливых высокогорьях на границе Боливии, Чили и Аргентины. Здесь же расположено самое сухое место на планете — пустыня Атакама, где с 2000 по 2015 годы было выбрано на 21% больше воды, чем поступило сюда естественным путем — в виде дождевых или талых вод.

На резервуары с рассолом воды хватает, а пастбища и поля зерновых остаются обезвоженными. При этом чилийские фермеры рассказывают, что до прихода добывающих компаний в регионе не было перебоев с водоснабжением.

Салар-де-Уюни. Боливия. Фото: Sifan Liu, unsplash.com

Недовольны добычей лития и португальцы, хотя запасов металла там немного – около 60 тыс. тонн. Зимой 2020 года жители района Ботикас, который имеет статус объекта всемирного сельскохозяйственного наследия, вышли на митинг против добычи лития. В результате правительство начало подготовку законопроекта о добыче полезных ископаемых, который ужесточит правила получения лицензий на добычу лития. При этом министр экономики Португалии Педро Сиза Виейра заверил, что при добыче металла «будут соблюдаться самые высокие экологические стандарты и применяться ответственные социальные методы».

Еще одна проблема – возможная утечка химических веществ в систему водоснабжения. Такое несколько раз происходило на юго-западе Китая. В 2013 году жители города Тагонга обнаружили в реке Лици мертвую рыбу, обвинив производителя лития в загрязнении воды. Власти приостановили работу шахты, но весной 2016 добыча продолжилась.

Мировая добыча лития

Запасы Лития для Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Соединенных Штатов и Зимбабве были пересмотрены на основе новой информации из правительственных и отраслевых источников.

Мировые запасы лития на 2019

Благодаря продолжающейся разведке, выявленные ресурсы лития значительно увеличились во всем мире и составляют около 80 миллионов тонн.
Запасы лития в Соединенных Штатах — 6,8 миллиона тонн.
Запасы лития в других странах были пересмотрены до 73 миллионов тонн.

Ресурсы лития в порядке убывания:Боливия — 21 млн тоннАргентина — 17 млн тоннЧили — 9 млн тоннАвстралия — 6,3 млн тоннКитай — 4,5 млн тоннКонго (Киншаса) — 3 млн тоннГермания — 2,5 млн тоннКанада — 1,7 млн тоннМексика — 1,7 млн тоннЧехия — 1,3 млн тонн;Мали — 1 млн тоннРоссия — 1 млн тоннСербия — 1 млн тоннЗимбабве — 540 000 тоннБразилия — 400 000 тоннИспания — 300 000 тоннПортугалия — 250 000 тоннПеру — 130 000 тоннАвстрия, Финляндия и Казахстан — по 50 000 тонн;Намибия — 9  000 тонн.

Перевод выполнен для сайта basemine.ru

характеристики

Диаграмма растворимости карбоната лития в воде

Карбонат лития кристаллизуется в моноклинной кристаллической системе в пространственной группе C 2 / c (пространственная группа № 15 ) с параметрами решетки a = 835.9  пм , b = 497.67 пм, c = 619.4 пм и β = 114.72 °. В элементарной ячейке содержится четыре формульных единицы . Фазовые переходы происходят при 350 ° C и 410 ° C. В отличие от карбонатов других щелочных металлов , карбонат лития менее растворим в воде. Растворимость уменьшается с повышением температуры. Поэтому преобразование водных растворов солей лития карбонатом натрия является подходящим производственным методом :

2 Л.я++Nа2С.О3⟶Л.я2С.О3+2 Nа+{\ displaystyle \ mathrm {2 \ Li ^ {+} + Na_ {2} CO_ {3} \ longrightarrow Li_ {2} CO_ {3} +2 \ Na ^ {+}}}

Такое поведение растворимости используется в лаборатории для очистки коммерчески доступного карбоната лития. Для этого готовят холодный насыщенный раствор, нерастворимые примеси при необходимости отфильтровывают и затем нагревают до кипения при интенсивном перемешивании. Из-за уменьшения растворимости карбоната лития с повышением температуры чистый карбонат лития начинает выпадать в осадок, который затем отфильтровывают, пока он горячий.

В отличие от карбонатов натрия и калия — это сухой карбонат лития при нагревании углекислого газа от

Л.я2С.О3⟶Л.я2О+С.О2{\ displaystyle \ mathrm {Li_ {2} CO_ {3} \ longrightarrow Li_ {2} O + CO_ {2}}}

Если карбонат лития нагреть в электропечи с избытком углерода , образуется карбид лития . И здесь литий больше похож на кальций, чем на другие щелочные металлы, которые в этих условиях восстанавливаются до металла.

Л.я2С.О3+4-й С.⟶Л.я2С.2+3 С.О{\ displaystyle \ mathrm {Li_ {2} CO_ {3} +4 \ C \ longrightarrow Li_ {2} C_ {2} +3 \ CO}}

Стандартная энтальпия образования кристаллического карбоната лития Δ _F H ₂₉₈  = -1215,87 кДж / моль.

Применение

Литий и его соединения используют:

1. В производстве аккумуляторов и батарей.
2. В качестве лигатуры в сплавах.
3. В ядерной энергетике, радиоэлектронике.
4. В медицине (соединения лития используют в лечении подагры, как психотропные, антидепрессанты).
5. 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.

Литиевые источники тока

К сведению: Нобелевская премия по химии присуждена за литийионные батареи.

[править] Литература

• Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3

Электрохимический ряд активности металлов

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂,W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Физические свойства

Литий — серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, твёрже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.
Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды).
Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре ниже 380 °C и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие па́ры щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

Свойства лития

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.

Интересно: если сделать из лития самолет, его легко поднимут два человека.

Химические свойства:

1. В условиях повышенной влажности реагирует с газами воздуха. Образуются соединения с литием — нитриды, карбонаты, гидроксиды.
2. Постоянная валентность лития 1+.
3. С водой реагирует по формуле 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑.
4. Охотно реагирует с галогенами (кроме йода), образует галогениды.
5. 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.

Похожие записи:

Как развести девушку на близкие отношения? Самый полный репортаж с церемонии «gq человек года» 2018 Year-end charts «английский пот»: самая загадочная смертоносная эпидемия в истории Размер ноги / как узнать размер для удобства подбора обуви Видео по замене старого металлического слива чугунной ванны