Литий: ракета покруче крипты

Одним из наиболее дефицитных и резко подорожавших химических материалов в настоящее время является литий. Спрос на него превышает предложение поэтому на рынке лития сейчас наблюдается колоссальный рост цены. На рынок литий поступает в виде двух форм – карбонат лития и гидроксид лития. 

Цены на карбонат лития на рынке менялись следующим образом: в 2004 году за 1 т давали чуть больше $2 тыс., а к 2015 году цена выросла до $6 тыс. В 2018 году спотовые цены достигли исторического максимума — $20 тыс. за 1 т, после чего начали снижаться. В 2021 году цена снизилась до $13 тыс., а в 2022 году случился туземун (to the moon) – цена взлетела до $70 тыс. за тонну. 

При этом до 1991 года материал практически не имел массового применения и общее потребление лития было незначительным. Он применялся в производстве стекла и фарфора, в металлургии и атомной энергетике. В 1991 году корпорация Sony выпустила недорогую и надежную литий-ионную батарейку, которая вскоре покорила весь мир. Главными преимуществами литий-ионных аккумуляторов в сравнении с никелевыми были их легкость, скорость зарядки, очень слабый эффект памяти. Практически ничтожный спрос на литий как ключевой компонент аккумуляторов в кратчайшие сроки вырос на несколько порядков и превысил треть от общемирового объема потребления. Резко возросшее производство гаджетов, а затем и электромобилей оказало огромное влияние на рынок лития. Если в 2000 году общее потребление лития в пересчете на карбонатный эквивалент составляло 68 тысяч тонн, то в 2019 году оно достигло 315 тыс. тонн, то есть увеличилось более чем в 4 раза. Для примера, производство нефти за этот же период выросло менее чем на треть. В 2020 году общее производство лития перевалило за 400 тыс. тонн и это еще не предел. 

Если Вы начали волноваться и спрашивать у себя, что с этим делать, спешу вас успокоить. Лития на планете в избытке — речь идет о многих миллиардах тонн, которые человечество не сможет потребить и за тысячи лет при самом бурном развитии промышленности. Однако (плохая новость) большая часть элемента растворена в морской воде (в пропорции примерно 0,17 мг/мл), и на данный момент технологий, позволяющих более или менее рентабельно выделять литий из нее, не существует. Таким образом, почти вся добыча материала происходит либо из солевого раствора, образующегося в солончаках (например, Уюни в Боливии), либо из сподумена — материала твердых горных пород. И те, и другие источники далеко не бесконечны: общие извлекаемые запасы составляют около 80 млн т карбонатного эквивалента. При нынешнем уровне спроса этих ресурсов хватит надолго. 

Но, что будет, если потребление скакнет в несколько раз, что является вполне возможным сценарием? На данный момент свыше 90% добычи соединений металла приходится на пять стран — «южноамериканский треугольник» (Чили, Аргентина и Боливия), а также на Австралию и Китай. Раньше на рынке задавала тон Чили, но к 2018 году крупнейшим производителем лития в мире стала Австралия. 

Почти все крупные месторождения контролируют несколько горнодобывающих компаний с рыночной капитализацией от $5 млрд до $70 млрд: китайские Jiangxi Ganfeng и Tianqi, аргентинская FMC, американская Albemarle и чилийская SQM.

А что же в Российской Федерации? О перспективе дефицита лития заявил недавно заместитель директора департамента металлургии и материалов Минпромторга Владислав Демидов. «Если не будет сырья, то очень большая может быть проблема в обеспечении собственных литиевых потребностей в литий-ионных аккумуляторных батареях», — сказал Демидов. Выступая в Совете Федерации, он сообщил, что Россия не добывает литиевое сырье, оно поступает в страну в виде карбоната лития в основном из Чили, Аргентины, Китая и Боливии. Китай, по словам Демидова, сам испытывает острую нехватку материала. А после приостановки поставок из Чили и Аргентины у России осталась возможность получать сырье только из Боливии, сказал он.

«От прекращения импорта сырья могут пострадать практически все российские производители и потребители литиевой продукции, начиная от компании по производству литий-ионных аккумуляторов «Лиотех» и заканчивая Каменск-Уральским металлургическим заводом, выпускающим полуфабрикаты из алюминий-литиевых сплавов, — соглашается независимый эксперт Леонид Хазанов. — Причем компенсировать нехватку собственной добычей литиевого сырья мы не сможем — ее в нашей стране сейчас попросту нет». Прогнозные объемы запасов лития в России оцениваются в 1 млн т. В 2022 году некоторые известные компании объявили о намерениях освоить литиевые месторождения в Мурманской области, Иркутской области и Дагестане. В общем, инвестируйте в батарейки (шутка). 

Осознав всю важность этого металла, давайте перейдем, собственно, к химии. 

Литий – является самым легким металлом (плотность 0,534 г/см3) и обладает непростым характером. Конечно, это не натрий, но тоже активненько. Был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите, а затем в сподумене и в лепидолите. Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1818 году.

Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (др.-греч. λίθος — камень). Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом.

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). Вследствие своей низкой плотности литий всплывает не только в воде, но и, например, в керосине. 

Малые размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре не 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.

Литий является щелочным металлом, однако относительно устойчив на воздухе. Из всех щелочных металлов он наименее активный – практически не реагирует с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре. По этой же причине это единственный щелочной металл, который не хранят в керосине (к тому же плотность лития настолько мала, что он будет в нём плавать); литий может непродолжительное время храниться на воздухе. 

В 1818 году 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. 

Факты от Яны: 

·      Литий-7 является одним из немногих изотопов, возникших при первичном нуклеосинтезе (то есть в период от 1 секунды до 3 минут после Большого Взрыва). Некоторое количество изотопа Li-6 также было образовано в первичном нуклеосинтезе. Литий (вместе с бериллием и бором) распространен во Вселенной заметно меньше, чем другие элементы, в связи со сравнительно низкими звездными температурами, необходимыми для разрушения лития, а также в связи с отсутствием общих процессов его производства.

·      Литий является промежуточным продуктом протон-протонного цикла, но при высоких температурах активно преобразуется в два ядра гелия-4.

·      Хотя литий широко распространен на Земле, в природе он не встречается в виде элемента из-за своей высокой реакционной способности.

·      Земная кора примерно на 0,002% состоит из лития, что делает его 25-ым из наиболее распространённых элементов. 

·      Ещё в античном мире медики применяли соли лития для лечения аффективных расстройств. В научной же медицине они впервые были использованы в 1859 году для лечения подагры, поскольку в лабораторных условиях они повышают растворимость кристаллов мочевой кислоты. Однако уровни лития в организме, требовавшиеся для этого, оказались токсичными. Тем не менее, представление о том, что литий способствует растворению уратов, накопление которых в организме считалось причиной многих болезней, привело к появлению множества «тоников»; наиболее известный из них — 7 Up, появившийся в 1929 году под названием Bib-Label Lithiated Lemon-Lime Soda, из состава которого цитрат лития был исключён только в 1950 году, после запрета на его применение в США.

·      Из-за распространенных теорий, связывающих избыток мочевой кислоты с рядом расстройств, включая депрессивные и маниакальные расстройства, в конце 19 века литий использовался для лечения мании. С развитием психиатрии в начале 20 века от использования лития в значительной степени отказались.

·      В 1949 году австралийский психиатр Джон Кейд, исследуя гипотезу о том, что маниакально-депрессивные заболевания вызваны интоксикацией каким-то продуктом естественного метаболизма, проводил эксперименты с инъекциями мочи больных в брюшную полость морских свинок. Предположив, что вредные последствия таких инъекций вызваны мочевой кислотой, он перешёл к экспериментам с этим соединением и в попытке увеличить её растворимость в воде добавил к образцам мочевую соль лития (повторив приём лечения подагры). При этом токсичное действие инъекций резко уменьшилось. Последующие эксперименты показали, что инъекции карбоната лития оказывают на животных сильный успокаивающий эффект. После тестирования лития на себе (чтобы показать его безопасность для человека), Кейд начал в небольших объёмах проводить исследования действия лития (цитрата и карбоната) на некоторых своих пациентах с диагнозом мании, шизофрении и депрессии, и в случае мании получил выдающиеся результаты. Успокаивающий эффект был настолько сильным, что Кейд предположил, что мания вызывается дефицитом лития в организме. Однако остальной мир не спешил применять такое лечение, в основном из-за смертей, вызванных даже относительно незначительной передозировкой, в том числе в результате использования хлорида лития в качестве заменителя поваренной соли. Однако благодаря исследованиям и другим усилиям докторов и ученых по всему миру это сопротивление было постепенно преодолено. После этого лечение «литием» возбуждённых состояний психики распространилось настолько широко, что стало частью западной культуры. Персонажи фильмов «Пи», «Предчувствие», «Воспоминания о звездной пыли», «Американский психопат», «Страна садов» и «Незамужняя женщина» принимают литий. Также литий являлся главным компонентом успокаивающего препарата в антиутопии Айры Левина «Этот идеальный день». Об использовании лития в качестве стабилизатора настроения упоминается в таких песнях как «Lithium» Evanescence, «Lithium» Nirvana, «Lithium Sunset» Стинга и др.

·      Некоторые считают, что литий будет одним из главных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии и зависящем от батарей, но эта точка зрения подвергается критике за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.