Transcription
[музыка] Тот элемент, который появился в момент Большого взрыва вместе с водородом и гелием. Человек приручил литий и использует на полную катушку. Наша планета была бы без лития, то нас здесь сейчас бы не было. Телефоны были бы другими, проводными и тяжёлыми. Без лития у нас не было бы ни тех электронных приборов, при помощи которых эта запись ведётся, и при помощи медицины, в других областях науки и техники, вообще нашей жизни.
Литий помогает нам запасать энергию. Важен в аккумуляторах именно потому, что он является самым лёгким из возможных металлов, но имеет самую лёгкую плотность среди металлов, и он не тонет в воде, даже не тонет в керосине. Давайте разберёмся, что это за элемент, столь кардинально изменивший нашу повседневность, и правда ли, что запасы лития на нашей планете стремительно [музыка] сокращаются.
Наш современный мир – мир невероятных скоростей. Мы ежедневно производим миллионы тонн продуктов питания, перемещаемся по миру со скоростью около 800 км/ч и отправляем более 200 000 SMS сообщений каждую секунду. Как это стало возможным? Ведь изначально мы, люди как биологический вид, могли развивать скорость не более 13 км/ч, были обречены питаться исключительно кореньями и декоросами, и коммуницировать максимум с пятью соплеменниками на протяжении всей жизни. Так что же помогло нам, людям, пойти дальше своих физических возможностей?
Мы стали охотиться, слыть землю благодаря орудиям труда из камня и бронзы. Железо сделало нас сильнее и позволило построить первые цивилизации. Древесины и каменный уголь позволили нам создать первые фабрики. Керосин, а затем электричество, отменили границу дня и ночи и дали нам возможность работать после заката солнца. Нефть сделала нас быстрее, а редкие металлы открыли возможности для быстрой коммуникации и секундного принятия.
Ни крупицы индия делают экраны наших смартфонов сенсорными. Напаления европия и тербия дают бриллиантовые оттенки красного и зелёного на экране. Конденсаторы и тантала регулируют мощность наших устройств. Но, пожалуй, самый важный элемент, который питает наши гаджеты энергией и делает их по-настоящему мобильными – это литий. Каждый из нас носит частицы лития в своём кармане. Ведь этот элемент – поистине бьющееся сердце всех современных батарей, без которых наши телефоны были бы попросту бесполезными кусками стекла и пластика. Мы можем всего за несколько секунд проверить почту, просмотреть сводки новостей и котировок, проложить маршрут на карте, исключительно благодаря тому, что внутри наших смартфонов непрерывно протекает химическая реакция. Она высвобождает поток электронов лития, который и питает наши гаджеты энергией.
Энергия запасает этого слоистого материала. Она всего лишь в три раза меньше, чем энергия тратила, поэтому в общем можно сделать вывод, что он близок по потенциалу запасает веществам. Давайте выясним, как работают современные литий-ионные аккумуляторы.
Как уже было сказано, энергия, питающая наши гаджеты – это поток электронов. У лития во внешней оболочке есть один электрон. Литий по своей сущности реактивен, стремится этот самый электрон отдать. Нам остаётся только проложить путь для потока от брошенных электронов по внешней цепи через клеммы нашего телефона в другую сторону, где расположено вещество, например, соединение кобальта или соединение железа, которое, напротив, хочет электрон получить.
Литий-ионный аккумулятор, как и любой другой источник тока, запасает энергию. Ну, вторичный источник. У нас изначально есть катод, в котором есть литий и в котором лезия нет. У них примерно одинаковые потенциалы. Нужно сделать так, чтобы заряд мог перейти из одного в другой, то есть подсоединить какой-то внешний источник, точнее потребитель тока. Это может быть просто проволока, и тогда будет короткое замыкание. А может быть телефон, электромобиль, там лампочка, всё что угодно, и тогда ток будет протекать через этот потребитель тока. Металлический литий отдаёт электроны на один из электродов. Электроны, пройдя через цепь, попадают на другой электрод, где происходит восстановление соединения кобальта либо соединения железа. Могут быть разные варианты. Литий, потеряв электрон, переходит в ионизирует ионом лития и проникает через мембрану к противоположному электроду и становится компонентом вот этого нового соединения кобальта, железа, которое образуется при работе аккумулятора. Пройдя разными путями, электроны по внешней цепи и через электролит, они встраиваются в состав соединений кобальта или железа.
Но в этом и есть суть перезаряжаемого химического источника энергии. Вставляя аккумулятор в зарядное устройство, электроны ионы лития можно вынуть из состава соединений железа или кобальта и направить туда, откуда они пришли, и повторить весь процесс снова и снова. Что даёт нам возможность использовать телефон с одним и тем же аккумулятором на протяжении многих лет.
Литий встраивается в структуру материала и занимает там строго определённые позиции, в отличие от всех других типов материалов, которые применялись раньше. Там вещество менялось при заряде и разряде. То есть у нас в заряженном виде это одно вещество, в разряженном – другое. Это приводит к тому, что у нас нет порядка. А литий встраивается в позиции. То есть это как можно представить, как, например, парковка. Вот если у нас какая-то хаотичная парковка, где каждый ставит машину как хочет, то потом очень тяжело туда заехать и новым машинам. А если каждая машина стоит на своём строго определённом месте, тогда можно поместить гораздо больше машин, и они будут выезжать, въезжать по определённым траекториям гораздо более быстро и эффективно, чем если они будут в беспорядке. Вот в этом, собственно, отличие литий-ионных аккумуляторов от предыдущих. Протоны, потому что литий встраивается в структуру материала и катода, и анода, не разрушая его.
Когда аккумулятор подключён к зарядному устройству, литий буквально вытягивается из состава соединений железа или кобальта, где он находился в стабильном состоянии. Мы освобождаем литий, переводим его в реактивное состояние. Когда весь литий переходит на другую сторону, аккумулятор полностью заряжен. У лития во внешней оболочке снова есть электрон, который он вновь хочет отбросить. Вещество в этот момент находится в максимально нестабильном положении, словно круглый камень, который насильно затащили на верхушку крутой горы. Как только зарядное устройство будет отключено, этот камень покатится со склона вниз. Этим материалам очень не нравится находиться в состоянии заряженного, потому что слишком высокий потенциал у катода и слишком низкий у анода. Они очень хотят вернуться назад. Поэтому, как только зарядное устройство отключено, электроны лития срываются в обратный путь к соединениям железа и кобальта. Пока эта миграция продолжается, наш телефон работает.
Как простым способом увеличить продолжительность работы батареи, опытным путём выясним вместе с химиком Сано Зейналовой. [музыка]
Многие знают такой лайфхак: если батарейки сели, то можно ненадолго их оживить. Для этого есть несколько способов. Первый – лёгкое постукивание. Второй способ – смять элемент плоскогубцами ближе к его средней части. Ну и третий – нагрев батарейки, например, зажигалкой. Этим действием есть простое объяснение: ускоряется химическая реакция внутри элемента, задействуются непрореагировавшие остатки электролита. Вот видите, наши часы снова заработали. Чем-то подобным занимаются и современные учёные, когда изобретают способы продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов. Но методы у них, конечно, куда более высокотехнологичные.
Сейчас количество циклов зарядки-разрядки литий-ионного аккумулятора составляет около 3000. Но учёные по всему миру прилагают все усилия, чтобы увеличить этот показатель до 10 000 циклов. Это означает, что вскоре вам не придётся беспокоиться о замене аккумуляторов в вашем телефоне в течение 25 лет. Всё это время он будет питаться литием – элементом, имеющим тенденцию терять электроны.
Тенденция материала терять электроны – концепция электрохимического потенциала – была поставлена на службу человечеству ещё в начале XIX века, когда итальянский учёный Алессандро Вольта явил миру самую первую в мире модель батареи. Правда, в основе знаменитого Вольтова столба был цинк – элемент, обладающий склонностью к потере электронов в 0,76 В. В то время как склонность лития к потере электронов в разы выше, она достигает 3 В. Наверняка вы сейчас задумались: почему Алессандро Вольта не применил свои батареи литий? Ответ прост: потому что в начале XIX века элемент, который сейчас нередко называют золотом XXI века, ещё не был открыт.
Сложности с литием, естественно, есть. Это очень активный металл. Если рассматривать его в исходном металлическом состоянии, в котором, правда, в природе никогда не встречается, поскольку очень активен. Литий можно отыскать повсюду: и на Земле, и в океане. Но в природе в чистом виде литий практически нет. Встречается он настолько реакционно способен, что сразу же реагирует с другими веществами. Именно поэтому литию удалось оставаться неизвестным человечеству вплоть до первой половины XIX века, скрываясь от наших глаз в составе солевых отложений, глин и минералов.
Литий был открыт в 1817 году химиком Юханом Августом Арфве́дсоном, учеником знаменитого Берцелиуса, который относил элементы. Он исследовал минерал петалит и при его исследовании обнаружил, что при его растворении масса не совсем сходится, и стал выяснять, в чём причина. Обнаружил, что остаётся какое-то количество щелочного раствора и предположил, что это ещё один щелочной элемент, такой же, как калий, натрий. На тот момент были известны лишь два подобных щелочных элемента: калий и натрий. И поскольку одна из солей нового металла раствор в воде в шесть раз лучше, чем соли натрия и калия, Август Арфведсон решил, что открыл новый элемент. То есть он растворял, взаимодействие с разными кислотами, щелочами, карбонатами и выделил вот что-то, что обладало уникальными свойствами. Литий – первый щелочной элемент, который был обнаружен в твёрдых минералах, то есть в царстве камней, и за счёт этого он получил своё название – литий, то есть камень, от слова "камень".
Долгое время литий и добывали из минералов. Практически и в XIX столетии, хотя его очень небольшое потребление было, и большую часть XX столетия из минералов типа петалита. Ещё есть ряд минералов, в которых он накапливается. Добыча лития из сподумена ведётся и сейчас в Соединённых Штатах, Австралии и России. Литий относится к категории редких элементов, и по сложности добычи и распространённости он уже гораздо ближе к благородным металлам, чем вот к этим популярным железу, натрию или магнию.
Добытую из сподумена руду нагревают до 1300°C, пока камень не станет хрупким. Растрескавшиеся частички минерала рассыпаются в порошок. Грохочением и воздушной сепарацией пустую породу отделяют от сподуменового концентрата, который впоследствии будет направлен в руки химиков-технологов. Тут-то и начинается процесс преображения минерала в металл. В ходе гидрометаллургического сырья извлекаются соли карбоната лития. Действие отдалённо напоминает процесс мойки золотого песка. После проведения всех гидрометаллургических и подготовительных операций необходимо произвести элементный анализ полученного образца. Для этого наш порошок для дальнейшего проведения рентгенофлуоресцентного анализа. А в данном случае это позволяет увидеть вам, насколько чист ваш образец, какие элементы он содержит и в какой фазе находятся ваши элементы. Изначально в сподуменовом концентрате содержание лития не превышало 6%, но теперь, после гидрометаллургических, порошок карбоната лития уже на 25% состоит из этого ценного металла.
Получили такой чудесный белый порошок. Значит, он готовится определённым образом. Он очень агрессивен не только в металле, но и в своих соединениях, и наша задача – как бы подавить его активность, то есть его чуть-чуть разбавить. В порошок добавляют два основных вещества: комплексный оксид металлов лития и алюминия и чистый порошок алюминия. Затем вся эта смесь помещается в вакуум. Там, при определённых условиях, проходит химическая реакция, в ходе которой выделяется металлический литий. Процесс не самый простой, не правда ли? К счастью, существует и другой способ добычи лития из [музыка] солончаков.
Мы привыкли к тому, что металл – это символ прочности, но литий – металл щелочной, а значит, очень активный. Он вступает в реакции при малейшем соприкосновении с кислородом, поэтому его хранят в керосине. Этот металл довольно легко режется простым ножом. А вот что будет, если взять пинцетом кусочек лития и бросить его в воду? Металл начинает вести себя почти как таблетка аспирина в стакане: пузырится на поверхности и тает на глазах. Это выделяется водород в процессе образования щёлочи. За считанные секунды кусочек лития растворяется в воде без следа. Похожие процессы происходили и в природе, поэтому в пресной и морской воде литий содержится в тысячи раз больше, чем в земной коре. Но некоторое время назад были обнаружены подводные озёра, подземные солончаки, тоже богатые литием. И сейчас эти, в основном, месторождения солончаки сосредоточены в Южной Америке: Боливия, Аргентина – вот в этом литиевом треугольнике.
На космических снимках одного из районов пустыни Атакама в Чили видны чёткие прямоугольные фигуры, которые переливаются оттенками голубого и жёлтого. Это испарительные пруды крупнейшего в мире месторождения лития. Мощные насосы из недр на поверхность – рассол, который через год-полтора на солнце превращается в соляную рапу, что значительно ускоряет и упрощает процесс добычи карбоната лития. По данным службы геологии, геодезии и картографии США, одна только озёрная котловина Салар-де-Атакама содержит 27% мировых запасов лития. Кроме этого, литиевые солончаки разведаны не только в Чили, Боливии и Аргентине, но и в Тибете и на Северном Кавказе. В Кавказского артезианского бассейна сейчас разведано 92 участка с промышленным содержанием лития. За сутки на одном только Тарумовском месторождении можно добыть примерно 240 кг этого металла. Этого хватит на производство огромного количества батарей для ноутбуков. Но если мы добавим в литиевое уравнение производство батарей для электрокаров, картина изменится. 240 кг лития не хватит на производство и пяти автомобилей. Ведь по подсчётам американского консорциума по разработке перспективных батарей, на один электромобиль необходимо больше 50 кг карбоната лития.
Общая доля электромобилей в мире пока ещё очень невелика. Но поскольку с каждым годом доля проданных новых машин электрических растёт, растёт и где-то в Европе она уже становится превышает продажи обычных автомобилей с ДВС, то рано или поздно, конечно, мы столкнёмся с [музыка] дефицитом. Сделал нефть ключевым товаром мировой экономики. Теперь электромобили могут сослужить ту же службу третьему элементу периодической таблицы – литию, благодаря которому человечество сможет отказаться от двигателя внутреннего сгорания и бензина, забыть о бесконечных техосмотрах автомобиля и снизить количество вредных выхлопов в атмосферу. Но у очевидных преимуществ электромобилей, работающих на литиевых батареях, есть и другая рана. 2 года стоимость карбоната лития на бирже поднялась с 20 до 50 000 долларов. За 2 года, если дело пойдёт так дальше, то очевидно, что эта стоимость будет расти и дальше. Это уже будет там аналог золота по цене, и, разумеется, уже людям будут недоступны просто те же электромобили, аккумуляторы в телефонах и так далее.
Действительно так. Вот было любопытно посчитать: хватает ли разведанных запасов лития на замену всего-всего транспорта в мире на электрический? То сейчас в мире около полутора миллиарда транспортных средств. Если взять очень приблизительно 50 кг лития на одно транспортное средство, то если мы рассмотрим все запасы лития, то есть нам нужно порядка где-то 70-80 млн тонн лития. И достоверно извлекаемых запасов лития 20 млн, а всего разведанных 80. То есть запасов, если все их ещё надёжно извлечь, как раз хватает впритык.
Спор о том, кончаются литий или нет, ведутся последние там 5-10 лет. Считается, что в целом его действительно мало на Земле. Если сложить весь объём наиболее доступных мест, месторождения лития – а это такие страны, как Чили, Аргентина, ну, в общем, вся Южная Америка, почти, немножко США, Австралия, Китай – вот, то есть несколько стран на самом деле, где есть хорошие месторождения. Если сложить весь этот объём разведанных хороших месторождений, то примерно запасы будут соответствовать тому, если мы возьмём и все автомобили в мире сделаем электромобилями. Ни на что другое уже не хватит. То есть на телефоны, ноутбуки, там какие-то квадрокоптеры или там системы для электростанции уже лития не останется.
Интересно, изменится ли литиевое уравнение, если добавить ещё одну переменную: литий, добываемый путём переработки уже использованных аккумуляторов? С одной стороны, это может быть выгодно, а с другой – попросту экологически необходимо. Один выброшенный аккумулятор загрязняет порядка 20 кубических метров почвы и 400 литров грунтовых вод. Если представить это в масштабе, в Российской Федерации ввозится ежегодно порядка 6-7 000 тонн таких аккумуляторов только в гаджетах, не говоря уже об электротранспорте. Если вот этот объём представить в виде загрязнённых вод, то этими кубами можно заставить весь центр Москвы полностью в один слой.
Если разложить современный литий-ионный аккумулятор на составные части, то в нём обнаружатся 2,5-3% лития, 15-20% кобальта, 7-12% меди, а ещё алюминий, графит, пластик. Всё это вполне реально переработать и снова пустить в производство. На данный момент мы находимся с вами на линии дробления, измельчения литий-ионных аккумуляторных батарей. Здесь мы сможем увидеть с вами, как происходит загрузка [музыка] бункеров. Металлические частицы нужно отделить от графита. Для этого порошкообразную массу сначала помещают в обжиг. Его флотационный порошок растворяется в воде. Одновременно идут процессы осаждения кобальта и карбоната лития. Далее мы извлекаем материал, его остужаем, фиксируем партии, берём хим. анализ. Содержание кобальта в нашей продукции порядка 30%, а также лития около 23%.
Кажется, что не так уж много лития можно добыть с помощью переработки использованных аккумуляторов. Однако на первоначальное производство 1 тонны этого металла требуется 250 тонн сподумена руды или целых 750 тонн минерального рассола. А вот использованных батарей всего 28 тонн. Казалось бы, ресайклинг мог бы помочь устранить дефицит лития, но на данный момент переработке подвергается лишь 10-15% литий-ионных батарей, в то время как потребление этого металла постоянно растёт. Ведь он входит не только в состав аккумуляторов для телефонов, ноутбуков и электрокаров. Например, применяют в авиационных сплавах, добавки лития делают их пластичными и более лёгкими. Его соединение используется при сварке алюминиевых деталей в автомобильной промышленности. Например, хлорид лития используется в качестве флюса. Также его соединение используется в качестве флюса при производстве фарфора. Кроме того, вот у нас в лаборатории есть образцы криолита, из которого получают алюминий. Так вот, карбонат прибавляют к криолиту при выплавке алюминия, чтобы снизить нежелательные эффекты, например, выделение фтора, и тем самым увеличить эффективность процесса.
Огромное его количество потребляется и для производства различных керамик и стёкол, потому что он позволяет снизить температуру плавления при изготовлении керамики, стёкол. Он хорошо воздействует на стали, то есть он улучшает прочность, улучшает стойкость к атмосфере. И для металлов в виде сплавов, и для стекла, и керамики. Кроме того, у него есть особенности, например, очень низкий радиус захвата нейтронов, поэтому его часто используют в реакторах теплоноситель и источник там для дальнейшего получения трития и так далее.
Без лития мы не сможем создавать уникальные лёгкие сплавы, необходимые для развития авиации и космонавтики, изготавливать оптику с широкой спектральной полосой пропускания, производить небьющееся стекло и многое-многое другое. Но, может быть, переменные литиевые уравнения не совсем верны? Вдруг лития на планете гораздо больше, чем учтено на сегодняшний [музыка] момент? Большой взрыв и изначально в состав всего сущего. А если литиевый кризис всё-таки настанет, сможем ли его пережить мы, люди? Ведь литий – элемент периодической таблицы под номером три, питает энергией не только наши гаджеты. Литий является неотъемлемым элементом нашего организма, способным регулировать наше поведение и менять свойства. Литий – как именно. Дем серии проекта "Литий".