Незаменимый литий: волшебный металл или тупиковая технология?

Политики, в стремлении ускорить переход от углеродной к "зеленой" экономике, регулярно заявляют, что литий и другие редкоземельные элементы скоро станут более важны, чем нефть и газ. Эксперты прогнозируют увеличение спроса на литий в четыре раза к 2040 году. Хотя уже в 2025 году по рыночной стоимости и востребованности литий стал самым популярным металлом в мире. По сути, литий лежит в основе всей нынешней человеческой пост-нидустриальной цивилизации, хотя большинство людей даже не представляют, как выглядит этот металл.

Литий был открыт в 1817 году и представляет собой мягкий металл серебристо-белого цвета. Почему так поздно? Он входит в группу щелочных металлов и имеет высокую реакционную способность, поэтому не встречается в природе в чистом виде, только в соединениях. Исследования в области применения лития в электрохимической промышленности велись с 1970 года. В то время литий уже широко применялся – от фармакологии до тяжелой промышленности и ядерной энергетики. В 1991 году компания Sony представила первый законченный вариант литий-ионовой батарейки – мы ей пользуемся по сей день. Однако, в XXI веке, одновременно с взрывным с развитием мобильной электроники и электротранспорта спрос на такого рода источники энергии резко вырос.

В настоящий момент более 50 процентов добываемого в мире лития идет на производство аккумуляторов: эти батареи зарекомендовали себя одними из самых емких, доступных для массового производства. Увы, одновременно со спросом на литий обозначились проблемы с его добычей и утилизацией, которые в настоящий момент не имеют безопасного решения.

Большая часть месторождений лития находится в высокогорьях на границах Боливии, Чили и Аргентины – это, так называемый "литиевый треугольник". В отличие от фэнтезийных планов многих стран добывать у себя литий, в Южной Америке это делают уже давно и уверенно. По данным Геологической службы США (USGS), в Боливии имеются запасы около 23 млн тонн лития, в Аргентине – 22 млн тонн, в Чили – 11 млн тонн.

Самые легкие металлы на Земле добываются из богатых литием рассолов, которые обычно встречаются в засушливых солончаках, таких как долина Уюни в Боливии и пустыня Атакама, расположенная на севере Чили.

Существует два метода добычи лития: рудный – применяется в основном в Китае, и гидроминеральный – применяется как раз в Южной Америке. В первом случае металл добывают в шахтах или карьерах, во втором – из подземных рассолов. Рассольный способ добычи лития дешевле рудного. Он представляет из себя закачку рассола в пруды на солончаках, выпаривание в течение 12-18 месяцев и последующую обработку пресной водой кристаллов хлорида лития. Они сами кристаллизуются после многих дней выпаривания на солнце. Но этот процесс требует неимоверного количества пресной воды. На добычу 1 тонны лития, необходимо израсходовать более 2-х млн литров.

В чилийской пустыне Атакама литий добывают с 1983 года и местные экологи накопили кое-какую статистику. Из-за нехватки влаги, которая уходит для промывки лития в солончаковых испарителях и без того засушливые территории лишаются пастбищной травы, что создает угрозу фермерскиим хозяйствам. Скорость потока воды в реке Сан-Педро, из которой забирается вода на литиевое производство, с 2008 года снизилась с 1200 до 350 литров в секунду, что грозит истощением водных запасов для населения. Согласно исследованию, опубликованному в 2022 году, из-за дефицита воды популяция фламинго в Атакаме с момента начала добычи лития сократилась на 10 процентов.

Что немаловажно, процесс добычи лития очень несовершенен. По данным компании Albemarle, работающей в Чили, потери лития в процессе выпаривания и промывки солей достигают 45 процентов. Превращаясь в пыль, литий ветрами поднимается в воздух и отравляет живые организмы. Другой проблемой является химические стоки, загрязняющие реки и водоемы. Погибает рыба, а питьевая вода становится непригодной для употребления. Человеку отравление литием грозит слепотой.

Международные горнодобывающие и химические компании разрабатывают альтернативные методы производства лития в Южной Америке, ради эффективности производственных процессов. Технологии прямой экстракции в колоннах имеют КПД 70-90 процентов, извлекая гораздо больше лития из рассола, чем можно получить выпариванием. Однако потребление воды остается интенсивным, плюс добавляются химические отходы, из-за использования растворителей. Кроме того, этот метод нуждается в большом количестве электроэнергии. А это уже какой-то парадокс – тратить уйму электричества на компонент для батареек.

В Китае литийсодержащий слой залегает значительно глубже. Там используется карьерный метод добычи этого металла и вред окружающей среде наносится еще больший. Но власти КНР до недавнего времени старательно оставляли за кадром проблемы экологии – это позволяло снизить себестоимость производства лития. В принципе, по росту числа китайских стартапов в сфере производства альтернативных источников электроэнергии видно, что в КНР лихорадочно ищут замену аккумуляторам на основе лития. Слишком дорого его добыча обходится человеку и природе.

Помимо добычи лития, не меньшую головную боль представляет из себя утилизация и переработка использованных литий-ионных батарей. Их можно перерабатывать, но отработанные литий-ионные батареи могут выделять фтороводородную кислоту. Она обладает высокой коррозионной активностью, способна попадать в организм при вдыхании или через кожу. Фтороводородная кислота токсична для человека. Также в батареях литий, для лучшей проводимости, смешан тяжелыми металлами, также токсичными для живых организмов.

Сейчас со скрипом утилизируются небольшие литиевые батареи от смартфонов и прочих электронных устройств, а в недалеком будущем человечество столкнется с массовой утилизацией крупных батарей от электромобилей. Так что полномасштабный кризис еще впереди. Кто, как и где будет перерабатывать батареи в промышленных объемах, если все автолюбители вдруг пересядут на электрокары? Со старыми покрышками толком еще не разобрались.

Надо добавить, что литий-ионные батареи пожароопасны при неправильном обращении или хранении. Соответственно, и переработка батарей осложняется нестабильностью лития – он быстро взаимодействует с водой и воздухом, воспламеняется и взрывается. В первую очередь это касается литий-полимерных аккумуляторов.

Так, транснациональная перерабатывающая компания Veolia с 2017 года отмечает рост на 38 процентов числа пожаров из-за присутствия литиевых батарей в общих отходах. Конфедерация переработчиков стали Германии констатирует, около 90 процентов всех пожаров на объектах по утилизации отходов происходит по вине литиевых батарей.