لیتیوم یکی از عناصر بسیار استراتژیک مورد استفاده در ذخیره سازی انرژی است. همیشه گزارش‌های انتقادی در مورد استخراج لیتیوم وجود دارد. در برخی مناطق، مردم محلی از افزایش خشکسالی شکایت دارند که برای مثال دامداری را تهدید می‌کند یا منجر به خشک شدن پوشش گیاهی می‌شود. از دیدگاه کارشناسان، هنوز مشخص نیست که خشکسالی تا چه حد به استخراج لیتیوم مرتبط است. از طرف دیگر این فلز تا حد زیادی کاربردی است و صنایع مختلف به آن نیاز مبرم دارند. به خصوص در عصر حاضر که به سمت برقی شدن تجهیزات می‌رویم، و باتری‌ها به عنوان اصلی‌ترین عنصر در برقی شدن تجهیزات، به لیتیوم برای ساخت نیاز دارند. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی این عنصر مهم در طبیعت بپردازیم.
فلز و عنصر لیتیوم چیست و چه کاربردی دارد؟
لیتیوم چیست، لیتیوم اولین فلز قلیایی در جدول تناوبی است که از عناصری مانند سدیم تشکیل شده است. لیتیوم عنصر بسیار واکنش پذیر و قابل اشتعال است که در طبیعت به حالت خالص وجود ندارد، اما می‌توان آن را در مقادیر کم از سنگ، خاک رس و آب نمک استخراج کرد.
لیتیوم در جدول تناوبی: لیتیوم با نشان Li و عدد اتمی ۳ که در جدول تناوبی به همراه فلزات قلیایی در گروه ۱ قرار دارد. این عنصر در حالت خالص، فلزی نرم و به رنگ سفید خاکستری می‌باشد که به‌سرعت در معرض آب و هوا اکسید شده، کدر می‌گردد.
لیتیوم که در سال 1817 توسط شیمیدان سوئدی یوهان آگوست آرفودسون در کانی پتالیت کشف شد کشف شد، یکی از سه عنصری است که در طول انفجار بزرگ به همراه هیدروژن و هلیوم سنتز شده است. لیتیوم در رسوبات آب نمک و به عنوان نمک در چشمه‌های معدنی یافت می‌شود. نام آن برگرفته از یک کلمه یونانی به معنای سنگ است. غلظت آن در آب دریا 0.1 قسمت در میلیون است. لیتیوم همچنین در سنگ معدن پگماتیت، مانند اسپودومن LiAlSi2O6 و لپیدولیت (با ساختارهای مختلف)، یا در سنگ معدن آمبلیگونیت LiAlFPO4، با محتوای Li2O بین 4 تا 8.5 درصد یافت می‌شود. حدود 0.002 درصد از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد.
لیتیوم که در همه جای زمین وجود دارد، در آمریکای لاتین بیشترین فراوانی را دارد. به دلیل وزن بسیار سبک و خواص برجسته آن که در فن آوری‌های ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی استفاده می‌شود، بسیار مورد درخواست صنایع مختلف است. امروزه بیش از ۳۰ درصد از تولید آن در سراسر جهان برای تولید باتری استفاده می‌شود، اما برای ساخت شیشه و سرامیک مقاوم در برابر حرارت، روان کننده‌ها، فولاد و آلومینیوم، لاستیک و غیره نیز مورد نیاز است. به ویژه با توسعه خودروهای الکتریکی، لیتیوم بیشتر و بیشتر مورد نیاز است و در حال حاضر از رشد ۲۵ درصدی تقاضا در هر سال برخوردار است.
| عدد اتمی لیتیوم | ۳ |
| وزن اتمی | ۶.۹۴۱ |
| نقطه ذوب | ۱۸۰.۵ درجه سانتی‌گراد |
| نقطه جوش | ۱۳۴۲ درجه سانتی‌گراد |
| گروه | ۱ |
| نماد شیمیایی | Li |
| رنگ | سفید خاکستری |
روش و نحوه استخراج و تولید لیتیوم
تا دهه 1990، بازار مواد شیمیایی و فلزات چون لیتیوم و پلاتینیوم تحت تسلط تولید آمریکا از ذخایر معدنی بود، اما در آغاز قرن بیست و یکم بیشتر تولیدات از منابع غیرآمریکایی مشتق می‌شد. استرالیا، شیلی و پرتغال بزرگترین تامین کنندگان جهان بودند. (بولیوی نیمی از ذخایر لیتیوم جهان را دارد اما تولیدکننده عمده لیتیوم نیست.) شکل تجاری اصلی لیتیوم کربنات، Li2CO3 است که از سنگ معدن یا آب نمک با تعدادی از فرآیندهای مختلف تولید می‌شود. افزودن اسید هیدروکلریک HC کلرید لیتیوم را تولید می‌کند که ترکیبی است که برای تولید فلز لیتیوم از طریق الکترولیز استفاده می‌شود. فلز لیتیوم از الکترولیز مخلوط ذوب شده از کلریدهای لیتیوم و پتاسیم تولید می‌شود.
در حال حاضر دو منبع اصلی برای لیتیوم تجاری وجود دارد: معادن اسپودومن و آب شور سالار سنگ‌های سخت و خوشه‌های کریستال معروف به اسپودومن که حاوی لیتیوم هستند در فرآیندهای سنتی از زمین استخراج می‌شوند. به‌طور کلی اسپودومن در سراسر جهان یافت می‌شود و استرالیا بزرگترین معدن اسپودومن را دارد. این روش استخراج لیتیوم پیچیده و پرهزینه است و خطرات زیست‌محیطی متعددی را به همراه دارد درحالی‌که مقادیر زیادی مواد شیمیایی مصرف و زباله زیادی تولید می‌کند.
منبع دیگر لیتیوم استخراج از آب شور سالار است. بیش از نیمی از لیتیوم شناخته شده جهان در این منبع وجود دارد. بیشتر سالارهای اثبات شده حاوی لیتیوم در آمریکای جنوبی بین کشورهای آرژانتین، بولیوی و شیلی یافت می‌شوند. با این حال، به دلایل سیاسی و زیست‌محیطی، استخراج از این منابع محدود شده که باعث تأخیر در تولید معدن لیتیوم و کمبود برای برآورده کردن تقاضای لیتیوم شده است.
نقطه ذوب پایین مخلوط (۴۰۰-۴۲۰ درجه سانتی‌گراد یا ۷۵۰-۷۹۰ درجه فارنهایت) در مقایسه با نقطه ذوب خالص لیتیوم (۶۱۰ درجه سانتی‌گراد یا ۱۱۳۰ درجه فارنهایت) امکان عملیات الکترولیز در دمای پایین‌تر را فراهم می‌کند. از آنجایی که ولتاژ تجزیه لیتیوم کلرید کمتر از ولتاژ کلرید پتاسیم است، لیتیوم در سطح خلوص بیش از ۹۷ درصد رسوب می‌کند. از آندهای گرافیت در تولید الکترولیتی لیتیوم استفاده می‌شود، در حالی که کاتدها از فولاد ساخته می‌شوند. لیتیوم خالص تشکیل شده در کاتد در سطح الکترولیت به هم می‌پیوندد و یک حوضچه مذاب را تشکیل می‌دهد که توسط یک لایه نازک الکترولیت از واکنش با هوا محافظت می‌شود. لیتیوم از سلول خارج می‌شود و با ریختن آن در قالب در دمای کمی بالاتر از نقطه ذوب ریخته می‌شود و الکترولیت جامد شده را پشت سر می‌گذارد. سپس لیتیوم جامد شده دوباره ذوب می‌شود و مواد نامحلول در مذاب یا به سطح شناور می‌شوند یا در ته دیگ مذاب فرو می‌روند. مرحله ذوب مجدد محتوای پتاسیم را به کمتر از ۱۰۰ قسمت در میلیون کاهش می‌دهد. فلز لیتیوم، که می‌تواند به سیم کشیده شود و به صورت ورقه در بیاید، نرم‌تر از سرب است، اما سخت‌تر از سایر فلزات قلیایی است و دارای ساختار کریستالی مکعبی است.
بزرگترین تولیدکنندگان لیتیوم در دنیا
معادن و ذخایر لیتیوم جهان و کشورهایی که لیتیوم دارند در جدول زیر لیست شده‌اند. البته معادن لیتیوم تنها محدود به این کشورها نیست ولی سهم عمده استخراج و تولید لیتیوم در بین این ۱۱ کشور است. در ستون دوم “درصد سهم تولید جهانی”، میزان درصدی که هر کدام از این کشورها از مجموع تولید لیتیوم دارند، مشخص شده است. در ستون سوم “درصد سهم دارایی جهانی”، میزان سهم دارایی هر کشور مشخص شده است. کشوری مانند بولیوی در حدود نیمی از ذخایر لیتیوم جهان را در اختیار دارد اما فقط درصد
| کشور | درصد سهم تولید جهانی | درصد سهم دارایی جهانی |
| شیلی | ۳۵ | ۲۷ |
| استرالیا | ۲۳ | ۲ |
| آرژانتین | ۱۲ | – |
| چین | ۱۲ | ۱۰ |
| روسیه | ۹ | – |
| کانادا | ۳ | ۳ |
| زیمباوه | ۳ | ۰.۲ |
| پرتقال | ۱ | – |
| برزیل | ۱ | ۸ |
| بولیوی | – | ۴۹ |
| ایالات متحده | – | ۴ |
کاربرد لیتیوم در صنعت
کاربردهای صنعتی اصلی برای فلز لیتیوم در متالورژی است، جایی که عنصر فعال به عنوان یک جاذب (حذف کننده ناخالصی‌ها) در پالایش فلزاتی مانند آهن، نیکل، مس و روی و آلیاژهای آن‌ها استفاده می‌شود. طیف وسیعی از عناصر غیرفلزی از جمله اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، کربن، گوگرد و هالوژن‌ها توسط لیتیوم حذف می‌شوند. لیتیوم به میزان قابل توجهی در سنتز آلی، هم در واکنش‌های آزمایشگاهی و هم در صنعت استفاده می‌شود. یک معرف کلیدی که به صورت تجاری در مقیاس بزرگ تولید می‌شود n-butyllithium، C4H9Li است. استفاده تجاری اصلی آن به عنوان آغازگر پلیمریزاسیون است، به عنوان مثال، در تولید لاستیک مصنوعی. همچنین به‌طور گسترده در تولید سایر مواد شیمیایی آلی، به ویژه مواد دارویی استفاده می‌شود.
باتری‌های لیتیوم-یونی قلب تپنده همه گجت‌ها و ابزارهای فناوری هستند. تقریباً دیگر نمی‌توان وسیله‌ای را بدون این باتری‌ها در جهان دید. از مسواک‌های الکتریکی گرفته تا خودروهای تمام الکتریکی. با گسترده‌تر شدن استفاده از خودروهای الکتریکی و ممنوع شدن تولید خودرو با سوخت فسیلی مشخص است که لیتیوم می‌تواند چه نقش طلایی در جهان داشته باشد. به دلیل وزن سبک و پتانسیل الکتروشیمیایی منفی زیاد، فلز لیتیوم، چه خالص و چه در حضور عناصر دیگر، به عنوان آند (الکترود منفی) در بسیاری از باتری‌های لیتیومی اولیه غیرقابل شارژ عمل می‌کند. از اوایل دهه 1990، کارهای زیادی روی باتری‌های ذخیره‌سازی لیتیومی قابل شارژ با قدرت بالا برای وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره‌سازی نیرو انجام شده است. موفق‌ترین آن‌ها جداسازی آند و کاتدی مانند LiCoO2 را توسط یک پلیمر رسانای بدون حلال فراهم می‌کند که اجازه مهاجرت کاتیون لیتیوم، Li+ را می‌دهد. باتری‌های لیتیومی قابل شارژ کوچکتر به‌طور گسترده برای تلفن‌های همراه، دوربین‌ها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.
آلیاژهای لیتیوم-منیزیم سبک و آلیاژهای لیتیوم-آلومینیوم سخت، سخت‌تر از آلومینیوم به تنهایی، کاربردهای ساختاری در صنایع هوا فضا و سایر صنایع دارند. لیتیوم فلزی در تهیه ترکیباتی مانند لیتیوم هیدرید استفاده می‌شود.
جهان به چه میزان لیتیوم نیاز دارد؟
بازار جهانی فلز قلیایی لیتیوم چون بازار فولاد به سرعت در حال رشد است. تنها بین سال‌های ۲۰۰۸ و ۲۰۱۸، تولید سالانه در کشورهای عمده تولیدکننده از ۲۵۴۰۰ تن به ۸۵۰۰۰ تن افزایش یافت. یک محرک مهم رشد، استفاده از آن در باتری خودروهای الکتریکی است. با این حال، لیتیوم در باتری لپ تاپ‌ها و تلفن‌های همراه و همچنین در صنعت شیشه و سرامیک استفاده می‌شود.
لیتیوم و فولاد
لیتیوم و فولاد هر دو فلزاتی مهم و کاربردی در صنعت با ویژگی‌ها و کاربردهای خاص و متفاوت هستند. فولاد آلیاژی است که بخش اصلی آن را آهن ساخته و به واسطه‌ی استحکام، دوام و فرآیندپذیری خوبش شهرت پیدا کرده است. پروفیل و لوله مبلی یکی از برترین محصولات تولیدی از این آلیاز است. لیتیوم اما عنصر شیمیایی سبک وزن است که عمدتا برای ساخت باتری های قابل شارژ به ویژه در خودروها و گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود.
خواص لیتیوم
لیتیوم در بسیاری از خواص خود، همان ویژگی‌های فلزات قلیایی رایج‌تر سدیم و پتاسیم را نشان می‌دهد. بنابراین، لیتیوم که روی آب شناور است، با آن بسیار واکنش نشان می‌دهد و محلول‌های هیدروکسید قوی تشکیل می‌دهد و هیدروکسید لیتیومLiOH و گاز هیدروژن تولید می‌کند. لیتیوم تنها فلز قلیایی است که آنیون Li- را در محلول یا حالت جامد تشکیل نمی‌دهد.
لیتیوم از نظر شیمیایی فعال است و به راحتی یکی از سه الکترون خود را از دست می‌دهد و ترکیباتی حاوی کاتیون Li+ را تشکیل می‌دهد. بسیاری از اینها به‌طور قابل توجهی در حلالیت با ترکیبات مربوط به سایر فلزات قلیایی تفاوت دارند. کربنات لیتیوم (Li2CO3) دارای خاصیت قابل توجه حلالیت رتروگراد (retrograde) است. در آب گرم کمتر از سرد حل می‌شود.
لیتیوم و ترکیبات آن به شعله، رنگ زرشکی می‌بخشد. معمولاً در روغن معدنی نگهداری می‌شود زیرا با رطوبت موجود در هوا واکنش نشان می‌دهد. ترکیبات ارگانولیتیوم، که در آن‌ها اتم لیتیوم به عنوان یون Li+ وجود ندارد، اما مستقیماً به اتم کربن متصل است، در ساخت سایر ترکیبات آلی مفید هستند. بوتیلیتیم (C4H9Li) که در ساخت لاستیک مصنوعی استفاده می‌شود، از واکنش بوتیل بروماید (C4H9Br) با لیتیوم فلزی تهیه می‌شود.
تعدادی از ترکیبات لیتیوم کاربردهای عملی دارند. لیتیوم هیدرید (LiH)، یک جامد کریستالی خاکستری که از ترکیب مستقیم عناصر تشکیل دهنده آن در دماهای بالا تولید می‌شود، یک منبع آماده هیدروژن است که بلافاصله پس از تصفیه با آب، آن گاز را آزاد می‌کند. همچنین برای تولید لیتیوم آلومینیوم هیدرید (LiAlH4) استفاده می‌شود که به سرعت آلدئیدها، کتون‌ها و استرهای کربوکسیلیک را به الکل تبدیل می‌کند.
ذخایر لیتیوم ایران
لیتیوم یک فلز قلیایی به رنگ سفید مایل به نقره‌ای است که یکی از فلزات نرمی است که می‌توان به راحتی آن را با چاقو هم برش داد. درست مانند سایر فلزات قلیایی، لیتیوم یک فلز بسیار واکنش‌پذیر و قابل اشتعال است؛ به این معنی که باید در روغن معدنی، تحت گازهای بی‌اثر یا در خلأ ذخیره شود. از محصولات مصرفی گرفته تا مکمل‌های بهداشتی، لیتیوم در صنایع مختلف استفاده می‌شود و آن را به یکی از فلزات ضروری تبدیل می‌کند. برای مطالعه متن کامل مقاله و کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه می‌توانید به سایت گروه صنعتی صبا مراجعه کنید. ایلان ماسک در رابطه با لیتیوم می‌گوید: باتری‌های لیتیومی نفت جدید هستند و آینده دنیا لیتیوم است. یکی از عناصر مهم تمام فناوری‌های جدید، لیتیوم و وانادیوم هستند که از عناصر نادر خاکی محسوب می‌شوند.
