История появления литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в бытовой электронной технике, в электромобилях, поломоечных машинах и других механизмах. Технология их производства постоянно совершенствуется, улучшаются технические характеристики, уменьшается стоимость изготовления. Это день сегодняшний, а когда появились первые литиевые аккумуляторы?
В 1970 году британец Майкл Стэнли Уиттингем разработал первый заряжаемый аккумулятор, анод которого был из сульфида титана, а катод из лития. Но у этого изобретения были существенные недостатки ‒ это низкое напряжение: 2, 3 В, дорогая цена титана и высокая пожароопасность.
В 1980 году американский ученый Джон Гуденаф предложил использовать кобальтат лития как материал для катода в батареях. Он продемонстрировал, что оксид кобальта с ионами лития производит напряжение до 4 В. Это открытие привело к появлению более мощных батарей. Но серьезная проблема возгорания материала, используемого в качестве отрицательного электрода, еще оставалась.
Проблему решил японский ученый-химик Акира Ёсино. В 1991 году он изобрел аккумулятор с анодом из графита и катодом из кобальтата лития. Аккумулятор на практике стал работоспособным и более безопасным. В этом же году корпорация “Sony” выпустила по патенту Акира Ёсино первый литий-ионный аккумулятор.
В 2019 году Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Ёсино стали лауреатами Нобелевской премии за разработку литий-ионных аккумуляторов, которые используются во всех электронных устройствах от смартфонов до автомобилей.
Откуда берется литий для аккумуляторов и почему он дорожает
Литий – очень важный металл, востребованный в разных отраслях. Он массово используется при изготовлении Li-ion аккумуляторов, в металлургии, производстве стекла, керамики, полимеров и смазочных материалов, медицине, атомной технике, ядерной энергетике. Большинство добываемого на нашей планете лития сейчас идет на создание литий-ионных и литий-полимерных батарей.
Масштабы использования лития стремительно растут. В первую очередь, это связано с увеличением объемов производства электромобилей и других видов персонального электротранспорта. Так, в 2020 году мировые продажи электрокаров на Li-ion батареях составили более чем 3,24 млн. единиц.
Где добывают литий для аккумуляторов?
91% всего добываемого лития сосредоточено в 3 странах:
- 44% поставляет Австралия;
- 34% добывает Чили;
- 13% поставляет Аргентина.
Есть литиевые месторождения и в других странах: Боливии, США, Китае. В частности, компания Tesla получила лицензию на добычу лития в американском штате Невада. Запасы этого металла на всей планете оцениваются в 17 млн. тонн, из них около 900 тыс. тонн сосредоточены в России.
Способы добычи лития
Этот активный металл добывают из соляных озер и природных минералов. На вопрос, откуда берется литий для АКБ, есть 2 ответа:
- Добыча из пегматитовых минералов. Раньше этот способ был главным, в т. ч. в Австралии его применяют для получения лития из сподумена. Именно залежи пегматитовых минералов включены в перечни разведанных литиевых месторождений.
- Добыча из глин солончаков по технологии выпаривания соленых растворов. Это новая технология, преимущественно используемая в Америке. Солончаки «обогащают » по методу испарения под действием солнечной энергии, создавая большие искусственные озера. Когда гидроксид лития достигает необходимой концентрации, его осаждают с добавлением карбоната натрия и гидроксида кальция. Данная технология недорогая, но процесс добычи длится 1,5–2 года. Солончаковые глины богаты литием, что делает данный метод особо привлекательным. Но есть у него и минус – примеси железа или магния, от которого непросто избавиться, и вред для окружающей среды.
Солончаки не включены в перечни разведанных литиевых месторождений, т.к. эта технология ранее не применялась. Но благодаря ей возможности добычи лития значительно возросли. Например, богата его залежами боливийская пустыня Салар-де-Уюни. Под верхней коркой земной поверхности здесь скрывается жидкий литиевый рассол, содержащий 0,3% этого металла.
Альтернативные методы
В лабораторных условиях литий получают и иначе, например, выделяют из рассолов с применением металлорганических каркасных мембран. Они работают по принципу фильтрации и позволяют дополнительно получать пресную воду. Но из-за больших затрат этот метод остается сугубо лабораторным.
Самый экологичный выбор лития для аккумуляторов – это переработка старых АКБ, отработавших свой ресурс. В процессе переработки можно заново получать материалы для изготовления батарей, без исчерпания природных ресурсов Земли. И хотя масштабы повторного использования материалов пока незначительны, в эру осознанного потребления этот метод должен стать доминирующим.
Ближайшие перспективы и прогнозы
Несмотря на ожидаемый рост производства АКБ литиевого типа, по предварительным расчетам, литиевых запасов на ближайшие несколько лет достаточно. Если же рассматривать перспективы на несколько десятилетий, то здесь не все однозначно. Есть надежда, что производителям удастся снизить содержание лития в батареях, а также будут открыты новые возможности добычи этого металла.
Не исключено, что со временем появятся принципиально новые технологии – так же, как Li-ion батареи пришли на смену свинцовым и никель-кадмиевым. Например, при добыче лития в качестве побочного продукта производят большие объемы калия. Из него делают удобрения, но ученые все чаще выдвигают идеи о создании калиевых аккумуляторов.
Если же подобные надежды не оправдаются, дефицит лития приведет к его стремительному удорожанию. В любом случае, ресурсы планеты нужно использовать рационально, поэтому сегодня усилия многих ученых направлены на усовершенствование технологий переработки старых АКБ. Что касается разработки новых месторождений, такие шаги неизбежно приводят к экологическим проблемам и появлению на планете новых мест, непригодных для жизни.
Цены на литий
В 2018–2019 гг. наблюдалось рекордное снижение цен на литий, связанное с избыточными объемами его производства. В эти годы рост добычи на новых рудниках превысил мировой спрос, что и привело к избытку лития на рынке и временному падению цен. Тем не менее, стоимость литиевых акций даже в этот период росла.
С ноября 2020 года после 3-летнего спада начался рост и в котировках самого лития. Цены выросли на фоне растущих продаж электромобилей и значительных инвестиций в электромобильный сектор таких мировых автопроизводителей, как GM, Ford, Volkswagen, Porsche, BMW и Harley-Davidson.
Очевидно, снижения цен в ближайшее время не будет. Наоборот, ограниченное предложение и стремительно растущий спрос на литий скорее всего приведет к дальнейшему удорожанию и сырья, и литиевых батарей, и акций их производителей. По предварительным прогнозам, в ближайшие годы автопроизводители по примеру Tesla будут подписывать многолетние соглашения о поставках и создавать совместные компании для финансирования литиевых рудников.
# Литий-ионный аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор — тип электрического аккумулятора, который широко распространен в современной бытовой электронной технике, главным образом в таких устройствах, как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Этот аккумулятор также используется в электромобилях. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году. Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодный материал на алюминиевой фольге и анодный материал на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Основными преимуществами литий-ионных аккумуляторов перед другими аккумуляторами являются высокая энергетическая емкость, низкий саморазряд (уменьшение емкости) и большое количество циклов заряда-разряда. К главным недостаткам аккумуляторов первого поколения относилось то, что они подвержены взрывному эффекту. Впоследствии эту проблему удалось устранить при помощи замены материала анода на графит. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. Проблемой, до сих пор не решенной до конца, является старение аккумуляторов и их деградация при неправильном использовании. Литий-ионные аккумуляторы теряют эффективность или даже полностью выходят из строя при полном разряде батареи. Чувствительны они также и к температурному режиму. Самый благоприятный режим для них — 0-10°C и не менее 40% оставшегося заряда. Как правило, через два года батарея теряет не менее 20% емкости, даже если она не используется. Изображение: Wikimedia Commons
На основе полимеров создали катоды для батарей
29 декабря 2020, 17:37
«Камаз» представил свой первый электромобиль
10 декабря 2020, 19:29
Химики смоделировали высокоэффективную ячейку литий-ионной батареи
08 декабря 2020, 18:36
Гидробораты помогут сделать батареи для электромобилей безопаснее
13 октября 2020, 19:08
Для литий-ионных аккумуляторов создали эффективный и безопасный анод
02 сентября 2020, 18:00
Раскрыт механизм работы анода натрий-ионных аккумуляторов
27 июля 2020, 10:10
Использованные литий-ионные аккумуляторы помогли получить биодизель
22 июля 2020, 13:43
Замена лития натриевым «сэндвичем» в аккумуляторах поможет их удешевить
20 июля 2020, 09:51
Раковины креветок использовали для производства электродов
02 июля 2020, 16:06
Ученые увеличили плотность хранения лития в аккумуляторах
22 июня 2020, 13:23
Прочность твердого электролита для батарей удвоили
19 июня 2020, 13:43
Для миниатюрных аккумуляторов разработали тонкопленочный электрод
08 июня 2020, 20:10
- Новости
- События
- Фото дня
- Цифровая энциклопедия
- Дискуссионный клуб
- Открытия российских ученых
Indicator, 2024 г. 18+
Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Все права защищены. Полное или частичное копирование материалов Сайта в коммерческих целях разрешено только с письменного разрешения владельца Сайта. В случае обнаружения нарушений, виновные лица могут быть привлечены к ответственности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.
Литий: зачем нужен, как добывается и хватит ли его нам?
Так выглядит литийсодержащая руда
Литий — один из критически важных элементов для всей нашей цивилизации. Конечно, когда мы говорим о литии, на ум сразу приходят Li-ion батареи. И действительно, львиная доля добываемого лития уходит на нужды производителей аккумуляторов. Тем не менее, он используется и в других сферах.
Например, в металлургии, как черной, так и цветной, — металл применяется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Также с его помощью производят стекла, которые частично пропускают ультрафиолет, он применяется в керамике. И это если не говорить о ядерной энергетике и атомной технике — его используют для получения трития. Короче, литий в буквальном смысле нарасхват. Под катом — поговорим об аккумуляторах, Tesla, способах добычи лития и его дефиците.
Но главное, конечно, батареи
Да, сейчас большая часть добываемого в мире лития уходит на производство литиевых аккумуляторов. По расчетам, на производство одной батареи для Tesla Model S требуется 63 кг этого металла с 99,5% чистоты.
Теперь давайте подумаем, что будет, если все, абсолютно все автомобили внезапно станут электрическими, с литиевыми батареями. По данным на 2016 год автомобилей в мире было 1,3 млрд. Сейчас, наверное, еще больше, но окей, воспользуемся этими данными четырехлетней давности.
Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на треть. Получается, что на одну такую батарею необходимо 44,1 кг чистейшего лития. Для наших 1,3 млрд автомобилей нужно 57,33 млрд кг лития. Неплохо, это 57,33 млн тонн лития, и только для нужд автомобильной промышленности.
К 2023 году массовое производство электромобилей стартует на предприятиях Mercedes, BMW, Toyota, Ford, Audi, Porsche, Volvo, Huyndai, Honda. По подсчетам экспертов, эти компании будут производить около 15 млн электрокаров ежегодно, на что потребуется около 100 000 тонн лития в год.
Но ведь не электромобилями едиными. У нас же в ходу миллиарды экземпляров разной техники с аккумуляторами — смартфонов, ноутбуков, планшетов и т.п. Они маленькие, да, но и для них понадобится много лития. Правда, гораздо меньше, чем для батарей электромобилей — на производство батарей для мобильных устройств уходит несколько процентов общемирового производства лития. В 2017 году Apple использовала всего 0,58% общемировых объемов добычи этого металла.
Но есть и другие батареи. Та же Tesla разрабатывает и реализует огромные аккумуляторные системы, которые служат для нивелирования скачков потребления энергии в пиковые часы. В крупном аккумуляторе содержится не менее тонны лития. Пока что производство таких систем не слишком масштабное, но через время все может измениться.
В целом, общемировое потребление лития к 2025 году составит не менее 200 000 тонн этого металла.
А как его добывают и хранят?
Литий — очень активный химически металл, поэтому его добыча ведется несколько отличными от добычи большинства прочих, обычных металлов способами. Есть два способа выделить Li.
Первый — из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. В Австралии, например, его добывают из сподумена, руды лития, минерала, который относится к пироксенам.
Второй — из глин солончаков. Такие есть в Южной Америке и той же Неваде, о которой говорилось выше. Насыщенные литием рассолы можно «обогащать» при помощи испарителя на солнечной энергии. Затем, после достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время — от 18 до 24 месяцев. Именно такой способ планирует использовать Маск.
У второго способа есть проблемы: при получении лития таким способом литий получает примеси — железо или магний (от магния сложнее всего избавиться). Тем не менее, на солончаковых землях много лития, и это делает второй способ очень привлекательным — от примесей все же можно избавиться.
К слову, солончаки как раз не входят в списки разведанных месторождений, поскольку добыча лития выпариванием солевых растворов — новый метод, который ранее не применялся. Так что вполне может быть, что запасов лития на Земле гораздо больше, чем считается.
Очень много лития в солончаковой пустыне Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии. Под твердой коркой находится жидкий рассол с концентрацией лития в 0,3%.
Есть и другие способы, но все они чисто лабораторные. Например, пару лет назад на Хабре публиковалась новость о том, что литий можно добывать из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран.
Они копируют механизм фильтрации — ионную селективность — мембран биологических клеток в живых организмах. Кроме лития, этот способ дает и пресную воду, тоже ценный продукт. Но, к сожалению, ни стоимость, ни возможность масштабирования этого способа не освещены учеными. Да и спустя два года о коммерциализации метода так ничего и не слышно.
Еще литий можно добывать… из литиевых батарей. То есть перерабатывать батареи, получая снова металлический литий и другие необходимые для создания аккумуляторов материалы. Но пока что переработка батарей ведется в малых объемах. Это достаточно сложный и дорогой процесс, так что в ближайшее время вряд ли мы услышим о строительстве крупных заводов по переработке батарей. Да, ученые работают над этим, но все это пока что лишь исследования.
Сколько всего лития на Земле?
Да не так уж и много. Вернее, того, что разведали, относительно немного. В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России — около 900 000 тонн. Если взять потенциально «плодородные» месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.
Два года назад добыто было около 36 000 тонн. При этом 40% металла идет на аккумуляторы, 26% —на производство керамических изделий и стекла, 13% — выпуск смазочных материалов, 7% —металлургию, 4% — системы кондиционирования, 3% — медицина и полимеры.
Основные поставки лития ведутся из Австралии (18,3 тыс. тонн в год), затем Чили (14,1 тыс. тонн в год) и Аргентина (5,5 тыс. тонн в год). В ближайшее время поставщики лития планируют увеличить объемы его добычи и поставки на мировой рынок.
Кстати, компания Tesla, один из крупнейших потребителей лития, получила право на самостоятельную добычу металла в штате Невада, США. Илон Маск заявил, что его компания получила доступ примерно к 10 тыс. акров богатых литием залежей глины в Неваде.
Литий для всех, и пусть никто не уйдет обиженным?
Речь о недалеком будущем, когда понадобится производить гораздо больше литиевых батарей, чем сейчас. Насколько ученые могут судить, на ближайшие несколько лет этого металла хватит всем.
С течением времени компании найдут способ снизить количество лития в батареях — уже сейчас ведутся исследования на эту тему. Скорее всего, добыча лития из рассолов тоже станет наращивать обороты, так что общие объемы металла возрастут, и весьма значительно.
Но что будет через 10-20-30 лет? Сложно сказать. Возможно, «выстрелит» новая технология производства аккумуляторов, предложенная учеными или корпорациями. А может быть, специалисты смогут изменить конструкцию текущих аккумуляторов, значительно сократив количество лития, необходимое для производства одной батареи.
В целом, пока что пути решения проблемы дефицита лития есть, и их немало. Давайте вспомним об этом вопросе лет через 5 и обсудим изменения здесь же, на Хабре. Хотелось бы надеяться, к тому времени не начнутся «литиевые войны», ведь этот металл уже называют «новой нефтью».
