«Новая нефть XXI века». Литий – стратегический ресурс будущего

Стратегический литий

Увеличение потребления военной промышленностью лития неизбежно по многим причинам.

Во-первых, в настоящее время только литий-ионные аккумуляторы позволяют хранить много электроэнергии в относительно небольших объемах.

Во-вторых, военные постоянно наращивают количество гаджетов, нуждающихся в энергии, которую в полевых условиях зачастую могут обеспечить только перезаряжаемые батареи. Грядущие в войсках экзоскелеты, вообще, стали возможны только из-за миниатюризации систем энергоснабжения.

В-третьих, тяжелая техника постепенно переходит на гибридные приводы, требующие где-то хранить энергию от генераторов и рекуперативного торможения. Гибриды приходят в армию не по причине модной нынче декарбонизации – отказа от сжигания углеводородного топлива, а из-за высокой скрытности подобных решений.

На поле боя гибридный танк или БМП могут заглушить мотор-генератор и двигаться исключительно на запасенной в аккумуляторах электроэнергии. То есть бронемашины не дымят, не шумят и не столь явно святятся в инфракрасном диапазоне. Ну и, конечно, гибридная бронетехника позволяет сэкономить топливо и ресурс мотора.
 

Подобные разработки уже в предсерийном виде существуют за рубежом.

К примеру, в США работают над гибридной БМП Bredley-HED, оснащенной электротрансмиссией Modular EX-Drive и блоками литийионных батарей. В России несколько лет назад прошли испытания гибридного БТР «Крымск» и сейчас ведутся работы над специальным колесным шасси «Платформа-О» с электрической трансмиссией. Несмотря на высокую пожароопасность лития, этот металл в обозримом будущем займет важнейшее место в военно-технической отрасли. А это значит, что литиевые месторождения станут стратегическими объектами.
 

Литий из солей

В природе литий по причине своей высокой активности в свободной форме не встречается – только в составе растворенных солей и твердых минералов.

Главными источниками лития выступают соляные озера в засушливых странах, относящиеся к гидротермальному литиевому сырью. В этой связи больше всего повезло Чили, на территории которого расположено крупное литиевое месторождение – солончак Салар-де-Атакама. Площадь поверхности этого высохшего озера достигает 3 000 кв. км. А примерные запасы металлического лития, скрытого в соляной корке, оцениваются почти в 7 млн тонн.

Действительно, не зря Чили называют «литиевой Саудовской Аравией». Последние десятилетия эта южноамериканская страна обеспечивала до 43 % мирового потребления самого легкого металла.

Не только гигантский солончак, но и жгучее солнце на пару с пустынным засушливым климатом стали важным звеном чилийского литиевого чуда. Осадков в этой местности выпадает меньше всего, чем где бы то ни было в мире – всего 10 мм/год. Это вызывает интенсивное испарение влаги (до 3 000 мм/год). Отчего в озере остается только чрезвычайно концентрированный раствор солей – рапа.

Вся поверхность солончака покрыта «каличем», пористой породой из гипса и галита, пропитанной рапой. Глубина залегания такого «калича» может достигать нескольких десятков метров.

Основными соединениями в рассоле является хлорид и сульфат лития. А общая доля металла в одном литре такого коктейля может достигать 7 граммов на литр. По этому параметру чилийскому солончаку (Салар-де-Атакама) в мире просто нет равных.

Помимо солей лития в рапе растворены соединения натрия, калия, брома и кальция. Практически всегда с литием в рассолах соседствуют соединения магния. Если соотношение магния к литию больше 11/1, то добыча может быть экономически нецелесообразной.
 

Теперь немного о литиевой программе Соединенных Штатов.

Добыча металла организована на рассоле в штате Невада. Благо климат для этого американцам благоволит. Геологическая служба США не публикует открытые данные об объемах добычи. Но косвенные источники говорят, что большую часть литиевого сырья (до 84 %) страна импортирует из Латинской Америки. Более 35 % объемов внутреннего производства и импорта лития идет на производство аккумуляторов. И с каждым годом эта доля только увеличивается.

Россия в литиевой истории явно не среди лидеров. Климат не слишком позволяет выпаривать на солнце минералы из соленых озер. Да и внутреннее потребление не особенно развито. А продавать на внешние рынки литий невыгодно – латиноамериканские добывающие гиганты просят за стратегический металл гораздо меньше. Тем не менее, в России литиевые запасы оцениваются в 900 тыс. тонн, большая часть из которых сосредоточена в подземных водах.
 

«Литиевый треугольник»

Еще более масштабным месторождением «растворенного в воде» лития является высокогорный солончак Салар-де-Уюни в Боливии, сохранивший в себе, по разным оценкам, до 100 млн тонн металла.

Несмотря на такие внушительные запасы, добывать литий из солончака Салар-де-Уюни дорого, так как соотношение Mg к Li достигает 18,6. Для сравнения: в солончаке Салар-де-Атакама этот же показатель близок к 6,4.

Вместе с Аргентиной, Боливия и Чили составляют так называемый «литиевый треугольник» Латинской Америки, контролирующий до 70 % мирового рынка самого легкого металла.

Нередко на месторождениях можно увидеть такую картину: мощные насосы выкачивают на поверхность солончаков из глубины земли рассол, который через год-полтора на солнце превращается в соляную рапу. Ландшафт завораживает – далеко за горизонт уходят геометрически правильные искусственные водоемы, каждый из которых размером в несколько футбольных полей. Для наполнения таких резервуаров требуется немало энергии.

К примеру, на солончаке Салар-де-Атакама добывающие компании поднимают на поверхность таким образом до 2 000 литров глубинного рассола в минуту. Это серьезно ускоряет процесс добычи литиевых солей, но негативно сказывается на экологическом состоянии окружающей местности. По причине постоянной выкачки грунтовых вод и интенсивного испарения, запасы пресной воды на местности вокруг уменьшаются. Как следствие, жители жалуются на нехватку пресной воды и массовую гибель рыбы в осушённых водоёмах.

Места добычи лития в Латинской Америке даже получили своеобразное название – «белая смерть». Постоянно растущая потребность мировой промышленности в литии и сопутствующий добыче экологический ущерб заставляют задуматься о реальности «зеленого» статуса гражданских литийионных аккумуляторов.
 

Литий из камня

Добывать соли лития из концентрированной рапы, когда часть работы выполняет солнце и сухой климат, сравнительно несложно. Но что делать, если природа обделила местность литиевыми солончаками?

Можно поискать в нетрадиционных источниках. Например, в попутных нефтяных водах или геотермальных рассолах. Но концентрация соединений лития в них невелика – в нефтяных водах доля хлорида лития LiCl не более 1 г/л.

Поэтому гораздо выгоднее искать металл в составе горных пород.

В настоящее время в твердых полезных ископаемых скрыто до 23 % мировых запасов лития. Конечно, добывать ценный металл из такого сырья и сложно, и дорого. Но высокий спрос на аккумуляторы перекрывает все затраты. Ключевыми минералами, имеющими промышленное значение, являются различные граниты: сподумен, лепидолит, амблигонит и петалит.

Основные разведанные запасы литиевых минералов находятся в США, Китае, Австралии и Канаде. Недавно открыли месторождения сподумена в Португалии, в котором доля оксида лития может достигать 5 %.

Относительно небольшие залежи литиевых минералов обнаружены в России, Финляндии, Португалии и в некоторых африканских странах.

США и Китай в этой связи уникальны – это единственные страны с гранитовыми месторождениями и солончаковыми литиевыми озерами.

Не стоит забывать и про вторичную переработку вышедших из строя литийионных аккумуляторов. Одними из первых сложную процедуру утилизации применили на заводе американской компании Rockwood Lithium в 1992 году в Канаде. Сейчас компания – мировой лидер в переработке литийионных батарей. И потенциал развития позволит в будущем подвергать вторичной переработке большую часть аккумуляторов.

Однако сейчас мировые запасы лития настолько велики и широкодоступны, что гораздо проще изымать металл из природы, чем тратить деньги на трудоемкое извлечение из старых батарей. По подсчетам аналитиков, если к 2030 году спрос на литий достигнет планируемых 28 000 тонн в год, то разработка эффективной методики вторичного использования аккумуляторных батарей выйдет на первый план.
 

Из сырья в полуфабрикат

Перед тем, как литий станет частью аккумуляторной батареи, он должен пройти процедуру извлечения и обогащения.

В первую очередь хлорид лития из озерной рапы необходимо каким-то образом осадить в нерастворимом виде. Для этого отлично подходит гидрокарбонат аммония, позволяющий в виде карбоната выделить до 99,8 % лития из рассола.

А если концентрация соединений лития слишком невелика, и химическими методами осаждать соли невыгодно?

Для этого технологи разработали приемы выборочного поглощения твердыми веществами растворенных в воде соединений – селективную сорбцию. Специальные ионообменные смолы «научили» сорбировать только ионы Li⁺, оставляя в растворе ионы Na⁺ и других активных металлов.

После первичной обработки литиевого сырья из плохо растворимого карбоната лития вновь получают хлорид. Следующий шаг – электролитическое выделение чистого металла. Электролиз проводят в расплаве соли, предварительно добавляя хлориды калия и бария для снижения температуры плавления электролизной смеси. Окончательную очистку лития проводят дистилляцией в условиях вакуума, чтобы исключить контакт активного металла с компонентами воздуха, и при температуре около 550 ºС.
 

Твердые гранитные литийсодержащие минералы обогащать и перерабатывать гораздо сложнее. После механического измельчения породы происходит флотационное обогащение породы – это самый распространённый способ первичной переработки твердых минералов лития. Для этого специальными маслами смачивают частички горной породы, которые выделяются во флотационных ваннах в составе пены. Минералы сподумена обогащают под действием высоких температур. В ходе такого спекания частички минерала растрескиваются и рассыпаются в порошок, который отделяют от минералов пустой породы грохочением или воздушной сепарацией.

Далее литиевый концентрат передается в руки химиков-технологов. Переработку осуществляют с помощью известкового, сульфатного или сернокислотного методов. Для этого применяют карбонат кальция, сульфат калия и серную кислоту. На выходе получают сульфаты и карбонаты лития, которые перерабатывают, превращая соединения в хлорид лития.

К потребителям литий приходит в составе различных соединений. Больше всего (до 40 % мировых продаж) приходится на карбонат лития, второе место занимает жидкий литиевый концентрат (22 %), гидроксид лития (16 %) и хлорид лития (4 %). На чистый металлический литий приходится 4 % мировых продаж, остальные 12 % занимают многокомпонентные соединения лития.
 

Не только аккумуляторы

Литий в XXI веке – это не только сырье для получения современных аккумуляторных батарей. Несмотря на то, что до 70 % мирового производства самого легкого металла уходит на нужды электроэнергетики, литий нашел широкое применение в других отраслях.

При добавлении соединений лития в стекло, изделия из него становятся химически стойкими, пропускают ультрафиолет и инфракрасное излучение – немаловажное свойство в военном деле. Если в рецепт изготовления керамики включить соли лития, то получится высоковольтный и высокотемпературный фарфор.

Литиевые соли жирных кислот нашли применение в смазочных материалах для загущения нефтяных масел. К примеру, стеарат лития используется в составе всем известного литола.

Без соединений лития человек вряд ли бы смог освоить морские глубины и космическое пространство. Все дело в пероксиде лития, который используется в системах очистки воздуха от углекислого газа на подводных лодках и пилотируемых космических кораблях. Реакция проходит с выделением кислорода и поглощением углекислого газа.

В ядерной энергетике литий применяют в качестве теплоносителей для охлаждения реакторов, а гидрид лития LiH очень перспективен как вещество-аккумулятор водорода.

Литий в ключевой роли компонента тяговых аккумуляторов электромобилей уже зарекомендовал себя как «новый бензин» XXI века. Но ученые всерьез рассматривают литий в роли ракетного топлива. Оказывается, при сжигании гидрида лития, борида лития LiB и чистого металла выделяется до 4 000 ккал энергии, при этом обычный керосин выдает всего 2 300 ккал. Перхлораты и нитраты лития за счет высокой доли кислорода (до 69,5 %) могут быть отличными окислителями ракетного топлива. Для сравнения, классический окислитель перхлорат аммония содержит лишь 54,4 % кислорода.

Перспективы лития в электроэнергетике достаточно непредсказуемы. С одной стороны, запасов растворенных в рассолах соединений лития человечеству хватит не более чем на 50 лет (в твердых породах – на 25 лет), а с другой – ценные минералы неограниченно растворены в малых концентрациях почти во всех подземных водах.

Только вот добывать литий из такой воды на данный момент совсем невыгодно.