Літій – джерело мобільного життя

Значення літію важко переоцінити, адже сьогодні він живить майже все – від годинників та телефонів до автомобілів з літаками. Майже весь світ залежить від акумуляторів і батарей з цим елементом, і, поки не з’явиться альтернативна технологія, попит на нього буде тільки рости.
Але як цей метал, який загоряється навіть при намоканні, став рушійною силою сучасних технологій? Ось тут починається цікава історія подорожі літію із земних надр в акумулятори гаджетів.
Що таке літій?
Слово «літій» по-грецьки означає камінь. Це метал під третім номером у періодичній таблиці елементів, який має сріблястий колір, і його можна різати звичайним кухонним ножем. Це також найлегший метал на планеті, тому він плаває навіть у воді. Хоча це зазвичай швидко закінчується – літій самозаймається і згоряє. Небезпека представляє навіть волога в повітрі, тому його зберігають під товстим шаром мінерального масла або іншого подібного речовини.
Через високу хімічну активність просто «накопати» в землі чистого літію не вийде – його знаходять в морській воді, глині і солях. Видобуток цього мінералу ускладнюється тим, що він не збирається в щільні концентровані родовища, а розкиданий по всій планеті.
Як відкрили літій?
Вперше вчені познайомилися з новим елементом у 1817 році – тоді хімік Іона Арфведсон вперше виділив літій з мінералу петалита. Наступні кілька десятиліть вчені захоплено вивчали основні фізичні властивості нового металу. А в 1855 році хіміки Роберт Бунзена і Аугустус Матьєссен розробили систему видобутку літію електролізом з розчину хлориду літію. Так з’явилося невелике промислове виробництво цього металу в 1916 році, а для широкого продажу він почав випускатися в 1923 році.
У Другій світовій війні літій використовували як стійку до високої температури мастило для авіаційних двигунів. Після цього літій відзначився при створенні водневої бомби: іони літію-6 і літію-7 допомогли створити тритій.
При видобутку солей літію використовується багато ручної праці через дешевизну робочої сили
Головним виробником літію з 1950-х по 1980-ті роки були США, які надали близько 42 тисяч тонн цього матеріалу. У 1976 році США постачали близько 80% світових потреб, але ситуація змінилася вже в 1984 році, коли в Чилі відкрили найбільші поклади цього металу. У 1997 році подібне родовище також знайшли в Аргентині.
Сьогодні Чилі та Аргентина постачають 60% світового літію. Австралія та Китай займають ще 30% цього ринку. Решта 10% надають інші дрібні виробники, наприклад, США та Росія. Загальні запаси металу оцінюються на рівні 13 мільйонів тонн.
Робота над знахідкою. Історично літій добувають з розчинів солей або з твердих сольових відкладень. Останнім нічим не відрізняється від того, як видобувають інші матеріали – залізо, золото, мідь, срібло тощо.
Через розкиданість літію добувати його з твердої породи економічно не вигідно – треба переробити занадто багато ґрунту і витратити величезну кількість енергії і палива. Тому частіше метал отримують з сольових розчинів. Їх відкачують у закриті водойми, в яких сонце випаровує вологу, і на місцях залишаються концентровані тверді залишки.
Літій – час для батарейок
Доступність чистого літію дозволяє перейти до виготовлення елементів живлення з нього. Для цього існують спеціальні фабрики, а їх виробничий процес можна подивитися в ролику Discovery:
Акумулятори по своїй конструкції дуже проста річ – набір з декількох шарів катода (літій-кобальт оксид), анода (вуглець) і сепаратора (непровідної пористої плівки). Тому початок вивчення і експериментів над літієм як джерелом живлення почалося в 1912 році. Однак висока хімічна активність літію майже 90 років заважала йому потрапити на прилавки магазинів.
Все змінилося в 1991 році, коли японська компанія Sony представила світові перший комерційний літієво-іонний (Li-ion) акумулятор. Починаючи з цього періоду в батареях і акумуляторах почали використовувати іони літію, замість чистого металу літію. Адже акумулятори на основі іонів літію виявилися не такими пожежонебезпечними, як їхні аналоги на основі чистого літію.
Батареї, вироблені за Li-ion технології, вимагають значно менше уваги при експлуатації, ніж батареї, вироблені іншими технологіями. В Li-ion елементи, немає ефекту пам’яті, і вони не вимагають повної розрядки для збереження своїх властивостей. Саморозряд у цих батарей в 2 рази нижче, ніж у батарей на основі нікелю. Недоліком Li-ion батарей є необхідність захисних електронних схем для запобігання пожеж і висока ціна.
Літій крокує по світу
У 1994 році вартість виробництва Li-ion батарей типорозміру 18650 (використовуються в ноутбуках, автомобілі Tesla, ліхтариках) з ємністю 1100 мА*ч склала більше $10. Але вже в 2001 році вартість виробництва знизилася до $2, а ємність зросла до 1900 мА*год Сьогодні ємнісні елементи 18650 мають місткість понад 3000 мА*год, а ціна їх постійно знижується.
В 2009 році приблизно 38% продажів доводилося на Li-ion батареї. У 2014 році цей ринок мав обсяг у $5,7 млрд, і за кілька років він зросте в чотири рази, прогнозують експерти. До 2023 року його обсяг складе $24,1 млрд, з яких близько $15 млрд буде припадати на електромобілі, стверджують в Navigant Consulting.
Основними споживачами літію в світі є батарейки з акумуляторами. Виробники машин навіть починають будувати власні фабрики по виробництву акумуляторів. Tesla, наприклад, планує вкласти $5 млрд у свою «гигафабрику», яка буде виробляти більше літієвих акумуляторів, ніж виробили у всьому світі в 2013 році.