Значення літію важко переоцінити, адже сьогодні він живить майже все – від годинників і телефонів до автомобілів з літаками. Майже весь світ залежить від акумуляторів та батарейок з цим елементом, і, доки не з’явиться альтернативна технологія, попит на нього лише зростатиме. Але як цей метал, який загорається 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» грецькою мовою 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 та згорає. Небезпеку становить навіть волога в повітрі, тому його зберігають під товстим шаром мінерального мастила чи іншої подібної речовини.
Через високу хімічну активність просто «накопати» у землі чистого літію не вийде – його знаходять у морській воді, глині та солях. Видобування цього мінералу ускладнюється тим, що він не збирається в щільні концентровані родовища, а розкиданий по всій планеті.
Як відкрили літій
Уперше науковці познайомилися із новим елементом у 1817 році – тоді хімік Йона Арфведсон уперше виділив літій з мінералу петаліту. Наступні кілька десятиліть науковці захоплено вивчали основні фізичні властивості нового металу. А в 1855 році хіміки Роберт Бунсен та Аугустус Матьєссен розробили систему видобування літію електролізом з розчину хлориду літію. Так з’явилося невелике промислове виробництво цього металу в 1916 році, а для широкого продажу він почав випускатися у 1923 році.
У Другій світовій війні літій використовували як стійке до високої температури змащення для авіаційних двигунів. Після цього літій відзначився при створенні водневої бомби: іони літію-6 та літію-7 допомогли створити тритій.
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 у 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. Решту 10% надають інші дрібні виробники, наприклад, США та Росія. Загальні запаси металу оцінюються на рівні 13 мільйонів тонн.
Робота над знахідкою
Історично літій добувають із розчинів солей або з твердих сольових осадів. Останнє нічим не відрізняється від того, як добувають інші матеріали – залізо, золото, мідь, срібло тощо.
Через розкиданість літію добувати його з твердої породи економічно не вигідно – потрібно переробити занадто багато ґрунту та витратити величезну кількість енергії та палива. Тому частіше метал отримують із сольових розчинів. Їх відкачують у закриті водойми, у яких сонце випаровує вологу, і на місцях залишаються концентровані тверді залишки.
Час для батарейок
Доступність чистого літію дозволяє перейти до виготовлення елементів живлення з нього. Для цього існують спеціальні фабрики, а їхній виробничий процес можна подивитися в ролику Discovery:
Акумулятори за своєю конструкцією дуже проста річ – набір із кількох шарів катоду (літій-кобальт оксид), аноду (вуглець) та сепаратора (непровідної пористої плівки). Тому перші роботи над створенням джерела живлення на основі літію почалися ще в 1912 році. Однак висока хімічна активність літію майже 90 років заважала потрапити йому на прилавки магазинів.
Усе змінилося в 1991 році, коли компанія Sony випустила на ринок першу комерційну Li-ion батарею. І з того часу в акумуляторах використовуються саме іони літію, а не чистий метал. Адже батареї Li-ion виявилися не такими пожежонебезпечними, як їхні аналоги на основі чистого літію.
Батареї, вироблені за Li-ion технологією, вимагають значно менше уваги при експлуатації, ніж батареї, вироблені іншими технологіями. У Li-ion елементів немає ефекту пам’яті, і вони не потребують повної розрядки для збереження своїх властивостей. Саморозряд у цих батарей у 2 рази нижчий, ніж у батарей на основі нікелю. Недоліком Li-ion батарей є необхідність захисних електронних схем для запобігання пожеж і висока ціна.
Літій крокує світом
У 1994 році вартість виробництва Li-ion батарей типорозміру 18650 (використовуються в ноутбуках, автомобілях Tesla, ліхтариках) з ємністю 1100 мА*год становила понад $10. Але вже в 2001 році вартість виробництва знизилася до $2, а ємність зросла до 1900 мА*год. Сьогодні високоємнісні елементи 18650 мають ємність понад 3000 мА*год, а їхня ціна постійно знижується.
У 2009 році приблизно 38% продажів припадало на Li-ion батареї. У 2014 році цей ринок мав обсяг у $5,7 млрд, і за кілька років він зросте у чотири рази, прогнозують експерти. До 2023 року його обсяг становитиме $24,1 млрд, з яких близько $15 млрд припадатиме на електромобілі, стверджують у Navigant Consulting.
Виробники машин навіть починають будувати власні фабрики з виробництва акумуляторів. Tesla, наприклад, планує вкласти $5 млрд у свою «гігафабрику», яка вироблятиме більше літієвих акумуляторів, ніж виробили у всьому світі у 2013 році.