ett flertal år sedan läste jag en kort artikel om de nya hotness: litiumbatterier. Författaren öppnade med vad han utan tvekan trodde var ett smart popkulturen referens genom att säga att blotta omnämnandet av litium skulle ”slå bekymmer i hjärtan Klingons.” Det var en svag hänvisning till de fiktiva ”dilithium kristaller” av star trek berömmelse, och även då jag fann det lite ostliknande, men jag antar att han var tvungen att leda med något.
Årtionden senare, gör en djupare förståelse av lore det klart att en Klingon enda bekymmer är död med vanära, men det finns en art här på jorden som lever i fruktan av litium: VD: ar i elbil tillverkning oro. För dem är det inte närvaron av litium som sätter skräck, men den relativa frånvaron av det; medan det är den 25: e många grundämnet i jordskorpan, och gigaton löses in i världshaven, är litium mycket reaktiva och sålunda tenderar att vara diffus, vilket gör det utmanande att erhålla koncentrerade i de kvantiteter sina företag är beroende av.
Som elbilen och förnybar energimarknader fortsätter att växa, kommer behovet av litium till tillverkning batterier växa med den, eventuellt till den punkt där efterfrågan överträffar gruvindustrins produktionskapacitet. För att förstå hur denna obalans kan vara möjligt, tar vi en titt på hur litium närvarande bryts, samt analysera några nya gruv tekniker som kan hjälpa till att fylla den kommande litium gapet.
En stenig start
Även om litium har varit känt och väl karakteriserad av kemister eftersom de tidiga 1800-talet, var det först i mitten av förra seklet att kommersiella användningar för litiumföreningar identifierades. Flygplanet industrins efterfrågan på stabila smörjmedel resulterat i utvecklingen av fetter tillverkade av litiumtvålar, och behovet av hög prestanda men lätta metaller ledde aluminiumindustrin att anställa litium att förbättra Hall-Héroult smältprocessen. ungefär samtidigt, läkare upptäckte att litiumsalter kan behandla kunder med bipolär sjukdom.
En stor kristall av spodumen (litiumaluminiumhydrid inosilicate, LiAl (SiO3) 2) som finns i Massachusetts. Källa: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0
Även med den ökade efterfrågan av begynnande kärnkraftsindustrin börjar på 1940-talet, i stort sett allt litium behövs kan levereras från små hårdrocksgruvdrift som exploaterade fyndigheter av stenar, inklusive stora kristaller av litiummineraler, såsom spodumen, petalit och lepidolit . Dessa tre mineraler förblir i hög efterfrågan i dag för produktion av litiumhydroxid, en av de två viktigaste litiumföreningar som används av industrin.
Produktionen av litium från hårdrocks gruvor har en hel del gemensamt med andra gruv- och raffinering metoder vi har diskuterat i denna serie. Malmförande bergarter sprängs av dagbrott, öste upp av enorma lastare och lastbil till en raffineringsanläggning. Där är berget minskat i storlek genom en serie av krossar och kvarnar tills det blir ett fint pulver. Vatten tillsätts till pulvret för att skapa en uppslamning känd som massa, som också innehåller ytaktiva ämnen och dispergeringsmedel som gör litiuminnehållande mineraler hydrofoba. I en grund tank med luft pumpas genom från botten, de lätta litium bildar ett skum som flyter till toppen medan de tyngre berg partiklar sjunker.
Efter det att litium skummet skummas av flotationstanken, är den extra vätskan filtrerades av för att skapa en koncentrerad men oren litiumpulver att behoven som skall raffineras. Raffineringsprocessen beror mycket på käll mineraler och önskade slutprodukten, men för koncentrerat spodumen malm, är litium typiskt lakas ut under användning av en kombination av svavelsyra och natriumhydroxid. Även om detta är en direkt väg med hög avkastning, kan syror och baser som är involverade gör det miljömässigt problematisk. andra syrafria urlaknings processer har utvecklats som ett resultat, som sägs vara den typ av process Tesla använder i deras nya litiumhydroxid anläggning byggs bredvid deras Texas Gigafactory.
Nere i Brine Mine
Såsom diskuterats tidigare, inkluderar havsvatten ungefär 230 miljarder ton av litium, lösta i första hand som litiumsalter. Även om detta utgör huvuddelen av litium på planeten, det är alldeles för diffusa – bara 25 mikromolar – att fungera som en livskraftig kommersiell källa utan stora utgifter för energi för att extrahera och koncentrera den. men havsvatten är inte den enda saltlake som innehåller litium, och extrahering av viktig metall från underjordiska saltlösningar har blivit den viktigaste produktionsmetoden eftersom 1990-talet.
Överlägset mest betydande litiumbärande saltlösningar finns i ”Lithium triangeln” i Sydamerika. Ockuperar delar av Chile, Bolivia och Argentina, är området hem till stora salt lägenheter eller Salars, områden där gamla sjöar eller dammar avdunstat, lämnar bakom salter och andra utfällda mineraler. Dessa salt lägenheter har byggts upp under miljontals år, lämnar rika lager av mineraler under tarvinge ytor. och som vi kommer att se, platt terräng och svåra torra förhållanden på ytan spelar också en roll i gruvprocessen.
Brine dammar på Salar de Atacama i Chile, som sett från utrymme. För skala, var och en av de långa, smala dammar i centrum är nästan en kilometer lång. Källa: NASA Earth Observatory, Lauren Dauphin
Gruv litium saltlake är helt olik någon av de andra metoder för gruvdrift vi har täckt tidigare, och kunde inte vara enklare. i stället för att gräva upp stenar och mödosamt isolera materialet av intresse, saltlösning brytning består av spruta in vatten ned i saltavlagringar genom djupa borrhål. Vattnet löser upp saltavlagringar, vilket skapar en rik saltlösning som kan pumpas upp till ytan. Den saltvatten pumpas in grunda dammar och lämnas i solen för att avdunsta.
När många av vattnet i en damm har avdunstat – upp till två år senare – nu koncentrerade saltlake skördas. Koncentratet innehåller en mängd av element i tillägg till litium, inklusive natrium, magnesium, fosfater, och bor. Koncentratet kan antingen ytterligare behandlas på plats eller som blir allt vanligare, transporteras genom rörledningar till hamnar för transport till litium bearbetningsanläggningar utomlands.
På framsidan av det verkar avdunstningsmetod för litiumsaltlake gruv som en vinnare. Det är mycket enkelt, det drivs nästan uteslutande av solen, och det är i avsaknad av några av de effekter som en stor öppen pit gruvdrift kan ha. men det finns fortfarande stora problem med avdunstning koncentration. först ut, det kräver stora mängder vatten för att skapa de saltlösningar i första hand, och eftersom avdunstnings dammar är bara användbart på platser där det inte regnar mycket, är vatten redan en bristvara. Det vatten som används för saltlake gruv förloras också till atmosfären, kommer tillbaka till ytan någonstans långt från avdunstning dammar. Plus, avdunstning dammar upptar otroligt stora mängder mark – några damm komplex täcker ett område stort som Manhattan – vilket gör det svårt att skala upp verksamheten. och hur lång tid det tar för solen att göra sitt arbete är ett problem när det gäller produktionsflexibilitet.
Ett bättre sätt
För att göra det mesta av saltlake gruv samtidigt minska sina brister, är direkt litiumutvinningsmetoder blir allt populärare. I DLE, är saltlösning pumpas från underjordiska källor, men i stället för att koncentrera saltlösningen genom öppen indunstning, är litium avlägsnas från saltlösningen med användning av ett antal kemiska och fysikaliska metoder. En metod är jonbyte adsorption, där saltlösningen blandas med ett absorberande material som företrädesvis binder litiumföreningar under de andra föreningar i saltlösning. En klass av sorbenter som används i DLE kallas skiktade dubbla hydroxider (LDH), material med en skiktad struktur som tillåter litiumklorid i saltlösningen till passning mellan skikten medan exklusive kalium, magnesium, och andra salter. Saltlösningen återförs till marken, medan den med hög renhet litiumklorid tvättas bort sorbenten.
Andra DLE metoder innefattar membran-separationsteknologier såsom omvänd osmos, där saltlösningen pumpas vid högt tryck genom membran med porer som håller litiumsalter, eller genom lösningsmedelsextraktion, där organiska lösningsmedel används för att extrahera litium. Det gemensamma temat med DLE metoder, är dock det faktum att de är slutna processer – det vatten som används för att skapa den saltlösning återförs till de underjordiska formationer inklusive litium. DLE växter tar också upp en del av det fysiska utrymme som en enda avdunstning damm skulle ta, och de är inte beroende av extrema miljöer som Salars till arbete.
Bästa av båda världar
Så attraktiv som DLE tekniken är på skalan som krävs för att vara kommersiellt gångbar, DLE växter kräver fortfarande en hel del energi för att driva. men på vissa ställen, har en ödets geologi vänster gott litiumfyndigheter i närheten av en källa till riklig förnybar energi. I Imperial Valley i Kalifornien ligger det Salton havet, en inre koksalt sjö som ligger ovanpå en serie av aktiva geologiska fel, inklusive den välkända San Andreas fel. Området är idealiskt för geotermisk elproduktion, med elva anläggningar för närvarande producerar 2250 MW. vissa av dessa geotermiska anläggningar är samlokaliserad med DLE växter, som pumpar upp varma, litium-rika saltlösningar som renas med användning av geotermisk energi som produceras på plats. Miljömässigt sett sådana anläggningar är ungefär lika skonsamma som litium produktionen kan vara med den geotermiska DLE anläggningen byggs av australiensiska företaget kontrollerad termisk resurser förväntas producera 68.000 ton batteri grade litium med 2027.
Med efterfrågan på litium set att sväva, förmågan att utvinna vad vi kan från begränsade källor vi har tillgängliga med den lägsta mängden energi möjligt blir en utmaning faktiskt. Geotermisk DLE verkar vara en bra början, men antalet platser i världen med både lämplig geokemi och tektonik att stödja sådan verksamhet är begränsad. denSka ta lite smart teknik för att komma till resten av Litium som är tillgängligt, åtminstone med tekniken och energiresurserna som vi för närvarande har.
[Banner Foto av Pablo Cozzaglio / AFP via Getty Images]