Zaloge litija na Zemlji ocenjujejo na približno sto milijonov ton, a težava je v koncentraciji.
Litij je kemijski element številka tri. Je najlažja kovina in najmanjši element v trdnem agregatnem stanju pri sobni temperaturi. Njegova gostota je skoraj polovico manjša od vode, zato plava na njej. Pravzaprav bi plaval, če se ne bi nemudoma vnel in raztopil. Že od odkritja v 19. stoletju je precej skrivnosten in danes ni bistveno drugače, čeprav se o njem veliko govori.
Po teoriji velikega poka so v prvi sekundi nastanka vesolja nastali trije elementi. Ob vodiku in heliju še litij. Razlog je seveda njegova majhnost, a prav zaradi majhnega jedra, v katerem so zelo skupaj trije pozitivno nabiti protoni, je takoj po nastanku začel razpadati. To se še vedno dogaja, a hkrati v notranjosti zvezd nenehno nastaja nov litij. Že skoraj štirinajst milijard let. Tako litijevo spektralno črto, posledico ionizacije, že dolgo uspešno uporabljajo za določanje starosti zvezd. V vsakdanjem življenju ionizacijo litija občudujemo ob ognjemetih – če se zablešči svetlo rdeče ali rožnato, je za to kriv litij. A pustimo pirotehniko. Vsekakor je bilo treba litij najprej odkriti.
Ob koncu 18. stoletja so na Švedskem raziskovali mineral po imenu petalit. V plamenu je oddajal značilno rdečo svetlobo, a razloga zanjo niso našli. Ugotovili so, da vsebuje ione neznane kovine, ki se je pri poskusih obnašala podobno natriju in kaliju, a je bila lažja od obeh. V periodnem sistemu je bilo za novi element že rezervirano mesto številka tri. Johan August Arvedson je neznani element leta 1817 poimenoval litij (menda iz grške besede lithos, kar pomeni kamen, čeprav so na voljo tudi druge razlage), a mu ga ni uspelo izolirati. To je uspelo šele Williamu Thomasu Brandu štiri leta kasneje (po nekaterih virih ga je prehitel sir Humphrey Davy). Do izolacije je seveda prišlo z elektrolizo, podobno kot pri natriju in kaliju, ki sta mu kemijsko najbolj podobna.Odprto configuration options
Ob koncu 18. stoletja so na Švedskem raziskovali mineral po imenu petalit. V plamenu je oddajal značilno rdečo svetlobo, a razloga zanjo niso našli.
V naslednjih desetletjih je ostal litij laboratorijska zanimivost brez posebne vrednosti. Več poskusov in idej za uporabo je omogočil postopek elektrolize taline litijevega klorida, ki sta ga razvila Robert Bunsen in Augustus Matthiessen leta 1855.
Od putike do psiholoških težav
Litij je navdihoval tudi v ionski obliki. Najti ga je namreč v več različnih mineralih. Iz notranjosti Zemlje ga na površje izbruha lava, strnjene minerale pa voda počasi raztaplja. Tako se litij v obliki takšne ali drugačne soli izplakuje v potoke in reke. Večina ga konča v morju, nekatere reke pa se izlivajo na zaprta območja, kjer zaradi izhlapevanja nastaja vse večja koncentracija litija v slanici. Najbolj znani primeri takšnih nahajališč so v Andih v Južni Ameriki.
Zaloge litija na Zemlji ocenjujejo na približno sto milijonov ton. Težava je v koncentraciji. Povsod ga je malo, najdemo ga tudi v vsakem živem bitju, a le nekaj delcev na milijon. Seveda ga je v školjkah sorazmerno bistveno več kot v govedini, a za industrijske potrebe so zanimiva le nahajališča, kjer se je litij zbiral bistveno dalj. Le redka se ponašajo z dovolj koncentracije, da se ga izplača pridobivati – običajno v obliki soli. Vendar je bilo takšnih litijevih soli vsaj nekaj na voljo že v 19. stoletju. Ko je sir Alfred Baring Garrod opazil prisotnost sečnine (urea) v krvi bolnikov s putiko (protin), je pomislil na možnost kristalizacije sečnine v sklepih. Kristali so krivi za bolečine, sprememba razmer pa bi lahko kristalizacijo preprečila in s tem odpravila težave obolelih. Prisotnost litijeve soli v organizmu bolnikov s putiko naj bi vodila do nastanka bolj topnega litijevega ureata. Njegov poskus ni olajšal putike, a je imel pozitiven učinek na več kot polovico bolnikov, saj so svoje težave prenašali bistveno bolj umirjeno.
Litij je najti v več različnih mineralih. Iz notranjosti Zemlje ga na površje izbruha lava, strnjene minerale pa voda počasi raztaplja. Tako se litij v obliki takšne ali drugačne soli izplakuje v potoke in reke.
Bolečina je torej ostala, a večine ni več tako zelo motila. Tako je Baring Garrod nehote potrdil starodavno terapijo Sorana iz Efeza, zdravitelja, ki je svojim pacientom s psihološkimi težavami predpisoval pitje vode iz lokalnega zajetja že v drugem stoletju. Sam jo je poimenoval pomirjujoča voda, danes pa vemo, da je bogata z litijevimi solmi.
Tako je prišlo do prve uporabe litija v psihiatriji. Že leta 1870 je Silas Weir Mitchell litijev bromid predpisoval proti nervozi, le kakšno leto kasneje je Frederik Lange z litijem preganjal melanholijo. Do konca stoletja se je element uveljavil predvsem kot sredstvo za boj proti manični depresiji. Toda v naslednjih desetletjih je njegova raba precej zamrla. Poglavitni razlog so bila verjetno nova zdravila na tržišču, za katera zdravnikom ni bilo treba tako natančno spremljati krvne slike pacientov. Šele John Cade je s poskusi na hrčkih med drugo svetovno vojno in takoj po njej s poskusi na ljudeh dokazal, da je mogoče z litijevim karbonatom in litijevim citratom povsem ozdraviti velik delež bolnikov z manično depresivno motnjo, ki so bili hospitalizirani že več let. Leta 1952 je Mogens Schou s prepričljivo študijo dokazal, da je zdravljenje z litijem odlična alternativa tedaj prevladujoči rabi elektrošokov v klinični psihiatriji. Z izboljšanimi metodami določanja vsebnosti litija v krvi (če ga je premalo, ne deluje, če ga je preveč, lahko povzroči odpoved organov) se je zdelo, da bo prevzel vodilno vlogo med psihotropnimi zdravili.
Toda na trgu so tudi druga zdravila za enake težave. Težko je reči, kdo ima prav. Nekateri opozarjajo na stranske učinke litijevih soli (tresavica, težave s pogostim odvajanjem vode, okvare ledvic, moteno delovanje žleze ščitnice, čustvena otopelost pacientov …), drugi zatrjujejo, da so ti učinki zanemarljivi ali vsaj znosni, če bolnik prejema prilagojene odmerke, za kar sta potrebna dodaten trud in znanje medicinskega osebja. Zagotovo ima nekaj besede pri tem tudi kapital. Proizvajalec za svoj vložek v razvoj pač pričakuje primeren dobiček in drugo zdravilo na trgu ga pri tem ovira. Na vsak način litij, ki zaradi svoje majhnosti lažje prestopa krvno-možganske pregrade od večine snovi, še ni rekel zadnje v medicini.
Litij, ki zaradi svoje majhnosti lažje prestopa krvno-možganske pregrade od večine snovi, še ni rekel zadnje v medicini.
Množična raba
Litijev atom ima tri protone v jedru, okrog katerega krožijo trije elektroni. Dva sta blizu jedra, a tretji, ki je zelo oddaljen, ga naredi zares zanimivega. Relativno lahko ga je namreč odstraniti, kar vodi v stabilno elektronsko zgradbo (enako helijevi) in pozitiven naboj, saj so v jedru še vedno trije protoni. Velik naboj in majhno jedro pomenita velik električni potencial, in eden prvih, ki ga je začel uporabljati, je bil ravno Thomas Edison, veliki ljubitelj enosmernega toka in baterij. Edison je patentiral baterijo, ki je imela povišano kapaciteto, če ji je dodal litijevo sol, a mehanizma delovanja ni znal razložiti. Danes seveda vemo, da litij blesti ravno v svetu baterij.
Vendar so ga pred tem množično uporabili še marsikje drugje. Kot se za alkalijsko kovino spodobi, litij tvori hidrokside, ki reagirajo z maščobami. Tako nastajajo mila in različna maziva. Izkazalo se je, da imajo litijeva maziva precej prednosti pred kalcijevimi in natrijevimi. Voda jim zlepa ne pride do živega, predvsem pa se izkažejo z odpornostjo proti višji temperaturi, zato so najboljša znana rešitev za mazanje delov, kjer se kovina stika s kovino. V štiridesetih letih prejšnjega stoletja se je predvsem zaradi vojne industrije začela množična raba litijevih maziv, ki so danes prevladujoča na trgu. Najdemo jih povsod, od urnih mehanizmov do raketne tehnike. V avtomobilu so z litijevimi mažami podmazani tako rekoč vsi pregibni deli, od zunanjih ogledal do sklopk, od krmilnega mehanizma do pogonskih gredi. Zaradi odličnih mehanskih lastnosti, možnosti skladiščenja in dolge življenjske dobe velja litijev 12-hidroksistearat za najboljše univerzalno mazivo vseh časov.
Že nekaj let prej je litij odigral še eno pomembno vlogo v povezavi z energijo. Leta 1932 so litijev atom obstreljevali s protoni in ga razcepili na alfa delce (helijeva jedra) in jih v pospeševalniku zaletavali z devterijem (vodik z nevtronom v jedru). Dokazali so nastanek heliona (helij z le enim nevtronom v jedru) in tritija (vodik z dvema nevtronoma v jedru). Tako so uporabili fisijo (razcepili so litijev atom) za prvo fuzijsko reakcijo (»zlili« so tritij), kar je še vedno najobetavnejša rešitev človeških potreb po energiji. Ko nam bo nekega dne reakcijo seveda uspelo nadzirati. Vsekakor brez litija pri tem ne bo šlo.
Po teoriji velikega poka so v prvi sekundi nastanka vesolja nastali trije elementi. Ob vodiku in heliju še litij.
Prvo hidrogensko bombo so naredili prav z litijem – izotop z masnim številom 6 sprošča ob obstreljevanju z nevtroni tako strahotne količine energije, da se temperatura poveča na 15 milijonov stopinj! Žal si še ne predstavljamo materialov, ki bi zdržali kaj podobnega, zato tovrstne reakcije ostajajo rezervirane za zvezde, bombe in posebne laboratorije z izjemno močnimi magnetnimi polji.
Omeniti velja še rabo litija za izdelavo ultralahkih zlitin, kjer dodatek litija standardnim lahkim zlitinam z magnezijem ali aluminijem zniža maso za približno deset odstotkov. Manjša masa pomeni manjše stroške prevoza, torej večje dobičke.
Baterije, obetavne že v Edisonovih časih
Raba litija v baterijah je postala zares razširjena proti koncu 20. stoletja, ko se je zelo povečalo število prenosnih elektronskih naprav, še posebej telefonov in računalnikov. Litijeve baterije imajo najboljše razmerje moči glede na maso. Stare baterije so bile pač pretežke. Uradno prvi mobilni telefon (Motorolina »opeka«) je prav zaradi baterije presegal maso dveh kilogramov!
Litijeve baterije so bile obetavne že v Edisonovih časih. Toda za praktično uporabo je bilo treba opraviti veliko poskusov, ki so vodili v izboljšave po desetletjih neuspehov. Grafitne elektrode so dolgo veljale za najboljšo osnovo, na katero so se v plasteh vezali litijevi ioni. Čeprav so jih leta 1967 že izboljšali s polimeri, ni bilo na voljo topila, ki bi litijeve ione prenašalo na želeno mesto, ne da bi pri tem reagiral tudi sam litij. Takšne baterije so sicer delovale, a niso trajale dolgo.
V sedemdesetih letih so veliko stavili na titanov sulfid kot katodo in kovinski litij kot anodo. Žal ima titanov sulfid več neprijetnih lastnosti. Je strupen, smrdi in izdelava je bila nesramno draga – več kot tisoč dolarjev za kilogram surovine pač ne vodi v poceni izdelke za velike trge. Tudi litijeve anode so imele vsaj eno pomanjkljivost. Zaradi kristalizacije je prihajalo do kratkih stikov, ki so vodili v eksplozije. Vsekakor nezaželeno za predmet, ki naj bi ga nosili s seboj ali držali v naročju.
Vseeno so leta 1973 patentirali litijeve baterije z anodami iz kovinskega litija, te še danes uporabljajo v medicini in vojski. Imajo dolgo dobo skladiščenja, visoko temperaturno odpornost, visoko energijsko kapaciteto, a jih ni mogoče ponovno polniti.
Danes je trg litija vreden blizu 30 milijard dolarjev in naj bi prej kot v desetletju svojo vrednost početveril. Avstralija, Čile in Kitajska nadzirajo devet desetin proizvodnje, ki je po eni strani donosna, a po drugi hudo bremeni okolje.
Moč pisane besede
Po več različnih prototipih so leta 1979 izdelali prvo komercialno litijevo baterijo z litijevim kobaltovim oksidom za katodo, ki jo je bilo mogoče večkrat polniti. Še pet let je minilo, da so izboljšali delovanje, zamenjali so različna topila, izumili nove tehnologije in v devetdesetih letih prejšnjega stoletja prišli do litijeve baterije, ki je imela večjo kapaciteto kot vse prejšnje, prenesla je višje temperature in je pri delovanju ni razneslo.
Za trg so začeli uporabljati izraz litijeve ionske baterije, da bi kupci pozabili na zloglasne litijeve baterije, za katere so že skoraj vsi vedeli, da so nevarne. Še en dokaz o moči govorjene ali pisane besede.
Primat v razvoju so prevzeli Japonci. Sony in Nissan sta leta 1996 razvila električni avtomobil z litijevo ionsko baterijo, ki je bil sposoben z enim polnjenjem prevoziti 150 kilometrov. Še več kot desetletje je minilo do Teslinega Roadsterja, prvega serijsko izdelanega komercialnega avtomobila s skoraj štiristo kilometri avtonomije. V tem obdobju so se v razvoj vključili in kmalu tudi prevzeli vodstvo kitajski znanstveniki, ki še danes vložijo največ patentov, povezanih z litijevo tehnologijo.
Leto 2019 je Johnu Goodenoughu, Stanleyju Whittinghamu in Akiri Yoshinu prineslo Nobelovo nagrado za kemijo – za razvoj litijevih ionskih baterij. Vendar se razvoj še nadaljuje. V prvi vrsti bi se radi pri izdelavi znebili primesi težkih kovin in drugih strupov, kar zahteva še veliko poskušanja. Kako tehnologija napreduje, nazorno pokažeta podatka, da je cena proizvodnje litijevih ionskih baterij v dvajsetih letih padla za 98 odstotkov, njihova moč pa se je početverila.
Neto izračun litijevih baterij v okviru zelenega prehoda trenutno ni prav obetaven. Pri izdelavi avtomobilske baterije je za več kot polovico več emisij ogljikovega dioksida kot pri izdelavi klasičnega avtomobila.
Ogromen posel
Litij je z baterijami prerasel v ogromen posel, zaradi katerega je bila skupina velikih proizvajalcev že leta 2011 kaznovana zaradi dogovarjanja o ceni. Danes je trg litija vreden blizu 30 milijard dolarjev in naj bi prej kot v desetletju svojo vrednost početveril. Avstralija, Čile in Kitajska nadzirajo devet desetin proizvodnje, ki je po eni strani donosna, a po drugi hudo bremeni okolje. Pri pridelavi za baterije in druge izdelke primernih litijevih spojin se namreč uporabljajo ogromne količine agresivnih kemikalij, ki tako ali drugače končajo v naravi. Kdor torej v svojem okolju odkrije litij, je v dilemi. Ali na hitro zaslužiti in dolgoročno uničiti svoj bivalni prostor ali litij uvažati in ga drago plačevati. Čeprav so litijeve baterije navedene kot del zelenega energijskega prehoda (brez njih ne gre niti v elektronskih cigaretah), je do njihovega nastanka dolga in umazana pot. Pri tem prihaja do velikih emisij ogljikovega dioksida, onesnaženja vode in izpustov strupenih plinov v ozračje.
Dodatna težava so izrabljene litijeve baterije, saj se vsaka prej ali slej iztroši. Recikliranje je zapleteno, drago in vse prej kot zeleno. Čeprav je ravno v litijevih baterijah najvišja komercialno zanimiva koncentracija litija, jih trenutno recikliramo komaj deset odstotkov. Vse ostalo pomeni dodatno tveganje za okolje.
Neto izračun litijevih baterij v okviru zelenega prehoda trenutno ni prav obetaven. Pri izdelavi avtomobilske baterije je za več kot polovico več emisij ogljikovega dioksida kot pri izdelavi klasičnega avtomobila. Za tono litija je potrebne dva milijona ton vode. Zaradi rudnikov litijevega karbonata prihaja do erozije, zmanjšanja biološke raznolikosti in – paradoksalno – globalnega segrevanja. Ljudje, ki živijo v bližini nahajališč litija, trpijo pomanjkanje vode, kar že vodi v proteste in celo nasilna dejanja. Če vode ne zmanjka prej kot litijeve rude, jo rudarske družbe onesnažijo za več generacij. Mimogrede, eden najzanimivejših litijevih mineralov jadarit (po reki Jadar v Srbiji), zaradi katerega je bilo že veliko vroče krvi, ima kemijsko formulo LiNaSiB3O7(OH) in se od formule kriptonita, izmišljenega minerala, ki Supermanu vzame moč in ga lahko celo ubije, razlikuje le v odsotnosti fluoridnega iona!
Dodatna težava z litijem, ki je večina niti ne omenja, je kobalt, brez katerega si litijevih, pardon, litijevih ionskih baterij ne moremo predstavljati. Njegova pridelava obremenjuje okolje, kot odpadek pa predstavlja strup. Tako ob nadaljnjem razvoju tehnologije, povezane z litijem, v ospredje vse bolj prihajajo raziskave alternativnih baterij. Trenutno največ obetajo raziskave železa (!) in silicija. Največji navdušenci nad tema elementoma, ki ju je v naravi zares v obilju, trdijo, da bo litiju odklenkalo v desetletju ali največ dveh. Ampak to je že druga zgodba.
Članek je bil objavljen v reviji Gea
Gea spodbuja dejaven življenjski slog in vseživljenjsko radovednost ter navdušuje z aktualnimi raznolikimi temami o dogajanju okrog nas.
Več o reviji Gea >
