معرفی لیتیوم، سبک ترین فلز دنیا – اطلاعات عنصر، خواص و موارد استفاده

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؟

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 که با عدد اتمی 3 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.

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 30 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 وآلومینیوم ، 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.

روش و نحوه استخراج و تولید لیتیوم

تا دهه 1990، بازار مواد شیمیایی و فلزی لیتیوم 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، است که از سنگ معدن یا آب نمک با تعدادی از فرآیندهای مختلف تولید می‌شود. افزودن اسید هیدروکلریک 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 می شود.

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 (400-420 درجه سانتی‌گراد یا 750-790 درجه فارنهایت) در مقایسه با نقطه ذوب خالص لیتیوم (610 درجه سانتی‌گراد یا 1130 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 97 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 100 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.

آیا روش های استخراج لیتیوم متفاوت است؟

بله لیتیوم از روش‌های مختلفی به دست می‌آید. به زبان ساده، لیتیوم استرالیا از استخراج سنگ معدن به دست می‌آید، در حالی که در شیلی و آرژانتین لیتیوم از بیابان‌های نمک به دست می‌آید.

روش‌های استخراج لیتیوم:

روش‌های اسپودومن و آب شور سالار دو روش متداول برای استخراج لیتیوم هستند. در زیر، تفاوت‌های اصلی این دو روش را بررسی خواهیم کرد:

. منبع استخراج: اسپودومن یک سنگ رسوبی است که در معادن بازالتی و سنگ‌های گرانیتی یافت می‌شود. استخراج لیتیوم از اسپودومن با استفاده از فرآیندهایی مانند سنگ شکنی، آسیاب‌کاری، تقسیم‌بندی و فرآوری انجام می‌شود. در حالی که آب شور سالار به آب‌های زیرزمینی یا دریاچه‌های شور اطلاق می‌شود که حاوی غلظت قابل توجهی لیتیوم هستند. استخراج لیتیوم از آب شور سالار شامل فرآیندهایی مانند استخراج آب، تقطیر، تنظیم پی اچ، استخراج لیتیوم و فرآوری نهایی می‌شود.

. فرآیند استخراج: در روش اسپودومن، برای استخراج لیتیوم، ابتدا سنگ اسپودومن خرد شده و سپس با استفاده از فرآیندهای شیمیایی مختلف، لیتیوم از ماتریس سنگی استخراج می‌شود.

این فرآیند شامل قسمت‌های شکستن سنگ، تقسیم بندی، خرد کردن، مخلوط کردن با حلال، انجام راکتورهای شیمیایی و جداسازی نهایی است. در روش آب شور سالار، ابتدا آب شور استخراج می‌شود و سپس از طریق فرآیندهای تقطیر و تنظیم پی اج، لیتیوم از آب جدا می‌شود. سپس، از طریق فرآیندهای جداسازی و تصفیه، لیتیوم خالص تولید می‌شود.

. میزان تولید: روش اسپودومن برای تولید لیتیوم در مقیاس بزرگ مناسب است و می‌تواند مقادیر قابل توجهی لیتیوم را استخراج کند. این روش بیشتر در معادن استفاده می‌شود و معمولاً به صورت صنعتی انجام می‌شود.

روش آب شور سالار برای تولید لیتیوم به مقیاس کوچک‌تر مناسب است و به عنوان یک روش مستقیم و ساده برای استخراج لیتیوم استفاده می‌شود. این روش معمولاً در مناطقی با ذخایر غنی از آب شور موجود است.

در کل، اسپودومن و آب شور سالار دو روش متفاوت برای استخراج لیتیوم هستند، که هر کدام از آن‌ها مزایا و محدودیت‌های خود را دارند. انتخاب روش مناسب برای استخراج لیتیوم بستگی به شرایط معدنی و منابع موجود در هر منطقه دارد.

بزرگترین تولیدکنندگان لیتیوم در دنیا

معادن لیتیوم تنها محدود به این کشورها نیست ولی سهم عمده استخراج و تولید لیتیوم در بین این 11 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.

“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 کوچکی از آن را استخراج می‌کند و عملاً بیشتر معادن این کشور دست نخورده باقی مانده است.

بزرگترین تولیدکننده لیتیوم جهان، کشور شیلی است و بزرگترین دارنده معادن لیتیوم نیز کشور بولیوی، که هر دو کشور در قاره آمریکا قرار گرفته‌اند. ذخایر لیتیوم شیلی 27 درصد و میزان سهم استخراج این کشور 35 درصد است. ذخایر لیتیوم بولیوی 49 درصد و میزان سهم استخراج این کشور کمتر از 1 درصد است.

کاربرد لیتیوم در صنعت

کاربردهای صنعتی اصلی برای فلز لیتیوم درمتالوژی 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.

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 را توسط یک پلیمر رسانای بدون حلال فراهم می‌کند که اجازه مهاجرت کاتیون لیتیوم، 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.