Хватит ли нам лития?

Литий — третий элемент таблицы Менделеева. Серебристый металл, на вид слегка напоминающий алюминий, очень легок — он плавает даже в керосине. В воде тоже, но недолго. Как и положено щелочному металлу, литий бурно реагирует с водой с образованием гидроксида LiOH и водорода. Разумеется, столь химически активный металл не встречается в чистом виде в природе. По крайней мере, в земной.

По этой же причине металлический литий редко применяется человеком. На его долю приходится всего 5% мирового потребления. Во всех остальных сферах человеческой деятельности применяются его соединения, в первую очередь карбонат (Li₂CO₃), соль угольной кислоты, внешне напоминающая привычную нам поваренную, но гораздо хуже растворяющаяся в воде. Говоря далее о мировом производстве и потреблении, мы будем иметь в виду именно карбонат и (понемногу) другие соединения — гидроксид, хлорид и пр.

В 2017 году мировое производство составит около 188 тыс. тонн. К 2035 году оно вырастет в несколько раз и, вероятно, будет находиться где-то в интервале от 1200 тыс. тонн до 600 тыс. тонн.

Традиционная область применения лития, сложившаяся в XIX–XX веках, — производство стекла и керамики. Добавление щелочных металлов в состав шихты уменьшает ее термическое расширение и улучшает показатель преломления, а самое главное, понижает температуру плавления. Чистое кварцевое стекло начинает размягчаться при 1400 градусов, добавки позволяют снизить эту грань примерно на две-три сотни градусов, что означает очень неплохую экономию энергии. Речь идет об очень небольших количествах (лития там около 0,1–0,4%), но, с учетом общего объема, выходит немало. Стекольное и подобные производства — керамика, фарфор и другие — занимают суммарно чуть больше трети мирового потребления. Кроме этого, соединения лития используются в фармакологии, а чистый литий — в атомной энергетике в качестве теплоносителя.

Первое же место по скорости роста с большим отрывом держит производство элементов питания — сейчас это почти треть.

Надо сказать, что так было не всегда. Первые литий-ионные аккумуляторы были выпущены компанией SONY в 1991 году. Конструкция быстро полюбилась производителям и потребителям за высокую энергоемкость и неприхотливость, что привело к быстрому росту спроса и, соответственно, производства. Следствием этого стал быстрый рост добычи лития.

Обратим внимание на эти данные, они важны. До 1991 года, т. е. всего четверть века назад, рынка литийсодержащих элементов питания не было. Сейчас его доля в мировом потреблении превышает тридцать процентов. Иными словами, потребление лития за это время выросло почти в полтора раза только за счет нового применения. И то ли еще будет.

«Чтобы производить 500 000 автомобилей в год, нам придется закупать весь литий в мире», — заявил Илон Маск на презентации Model 3 в конце марта 2016 года.

В аккумуляторной батарее современного электромобиля содержится примерно в сто раз больше лития, чем в среднем ноутбуке, и в десять тысяч раз больше, чем в смартфоне. А выпуск электромобилей растет. Одна только Tesla в 2018 году намерена продать полмиллиона машин, а в 2020 г. – уже 1 млн. Это больше, чем в приведенной выше цитате, что заставляет предполагать, что Маск эпатировал публику, но даже в этом случае проблема налицо.

Tesla — не единственный претендент на большой куш. Электромобили начинают производить самые разные компании по всему миру, вовремя уловившие аромат больших перемен. В ногу с ними идут правительства развитых стран мира. В 2025 году продажа автомобилей с двигателями внутреннего сгорания будет запрещена в Норвегии, в 2030 году — в Германии. В 2040 году около 35% «самобеглых повозок», проданных землянам, будет электромобилями.

Чистая атмосфера означает, что производство электромобилей будет расти. А значит, будет расти и потребление лития. Современные технологии пока не обещают нам хороших аккумуляторов на базе других элементов таблицы Менделеева.

В земной коре литий встречается во множестве разновидностей и, соответственно, добывать его можно множеством разных способов. Из руд наиболее значимым является сподумен — силикат с алюминием, LiAl(Si₂O₆), наиболее применимый в стеклянном производстве, а также в изготовлении металлического лития. Еще одной, несколько неожиданной, сферой его применения является ювелирное дело. Минерал иногда образует кристаллы, цвет которых (от абсолютно прозрачного до густо-зеленого или пурпурного) зависит от содержания примесей других (отличных от алюминия и лития) металлов. Эти кристаллы могут иногда достигать метровой и даже большей величины.

Кроме этого, литий можно добывать из слюды, гранитов, руд других металлов и отвалов их производства, пластовых вод и даже просто из морской воды — его содержание в ней составляет 0,17 мг/л. Разумеется, его можно добывать из бытового мусора — в нем немало литиевых батареек. Вопрос лишь в цене этого процесса, да и всех остальных тоже.

Наиболее экономически выгодной на сегодняшний день является добыча карбоната лития из пересохших соленых озер.

Много километров сухой соли под ногами, безоблачное небо над головой и горы где-то далеко впереди. Так сегодня выглядит озеро Уюни на востоке Боливии. Когда-то здесь был настоящий большой водоем, который потихоньку высыхал и дробился на части. Сейчас здесь ничего не растет и никто не живет. Пустыня. В год здесь выпадает несколько миллиметров осадков.

Поверхность солончака хорошо отражает свет, она абсолютно горизонтальна, над ней почти всегда чистое небо, а ее местонахождение известно с точностью до миллиметра. Поэтому немудрено, что Уюни — одна из излюбленных мишеней, помогающих специалистам поверять приборы спутников.

А еще это — самое большое в мире месторождение лития. Концентрированный рассол, в котором много полезных для человека элементов и литий в том числе, залегает прямо под ногами, под коркой засохшей соли. Практически его местонахождение описывается словами «на поверхности». Концентрация солей лития в рассоле доходит до 0,3%, а всего здесь покоится около 10 миллиардов тонн. Боливия — мировой чемпион по запасам лития.

Сегодня из этого богатства добывается около 25 тыс. тонн. Боливийское правительство не торопится привечать иностранных инвесторов, полагая, что добыча столь ценного ресурса должна находиться в государственных руках. Время покажет, правилен ли такой подход, а пока нам следует иметь в виду, что Уюни — не единственный солончак на планете.

По другую сторону границы, в Чили, сходных по устройству бывших водоемов около десятка. Ни один из них не дотягивает по запасам до Уюни, но зато здесь рады возможности добывать и продавать ресурсы уже сейчас. Под это ищут инвесторов и расширяют производство. Да и морские порты здесь поближе. Время покажет, насколько правилен такой подход, а сегодня Чили — мировой чемпион по добыче лития. Около 43% от мирового объема. Похожие солончаки есть и в Аргентине, и там тоже добывают литий.

Примерно такие же озера есть и Китае, точнее, в высокогорьях Тибета. Наиболее известно озеро Чабьер-Цака. Соленый водоем площадью немногим более 240 км² пока еще не высох, его глубина местами достигает двух метров, но концентрация солей в нем уже вполне достаточна для их промышленного извлечения, которое и происходит, давая Китаю почетное второе место в списке производителей лития.

Наверное, если хорошо поискать, то на Земле найдутся и другие пересыхающие соленые водоемы. Нам сейчас важно, что добыча редких элементов, включая литий, из них на сегодня гораздо дешевле, чем более традиционные способы, связанные с различными рудами. Рассол не надо копать, а затем обогащать, вполне достаточно зачерпнуть его и перелить в небольшой бассейн. Солнце и сухой воздух сделают все остальное. Это, конечно, лишь начало пути. Карбонат лития, используемый в аккумуляторе вашего смартфона, имеет не больше 0.5% примесей, скорее — меньше, но и на этом участке можно сэкономить.

За последние годы цена на карбонат лития выросла вдвое, достигнув $10 тыс. за тонну. По прогнозам экспертов, исчерпание столь дорогого металла нам не грозит, он слишком распространен на Земле. Это, очевидно, означает, что рост цен повлечет за собой вложение денег в добычу и ее наращивание.

По прогнозу британской консалтинговой компании CRU, нынешний дефицит уже в 2018 г. сойдет на нет, а в дальнейшем поставки будут опережать спрос. Избыток предложения достигнет пика в 2022 г, когда его размер составит порядка 25% от мирового потребления.

В частности, крупные литиевые проекты к концу текущего десятилетия будут реализованы на западе и в центральной части Китая. Примерно тогда же ожидается ввод в строй новых мощностей в других странах. После этого, то есть к 2020 году, предложение лития на мировом рынке может достичь 500 тыс. тонн, что примерно в 2,5 раза больше, чем в 2016 г. Средняя себестоимость соединений лития в 2020 году скорее всего составит около $6,5–7 тыс. за тонну.