Litio, elemento base della nuova generazione di batterie per

Litio, elemento base della nuova generazione
di batterie per autotrazione
Breve storia del litio.
Il litio è un elemento abbastanza “giovane”.
Nel 1800, lo scienziato brasiliano Josè Bonifacio de Andrada e Silva (1763-1838) scoprì
due nuovi minerali sull'isola svedese di Uto, chiamati spodumene e petalite.
Tuttavia, fu lo scienziato svedese Johann Arfvedson (1792-1841) nel 1817 a isolare e
riconoscere all'interno dei minerali il nuovo elemento.
Il nome “litio” deriva dal greco “lithos”, pietra.
Nel 1818 Christian Gottlob Gmelin fu il primo ad osservare che i sali di litio emettevano
una fiamma rosso brillante durante la combustione.
Sia Gmelin che Arfvedson cercarono, senza successo, di isolare il litio dai suoi sali.
Circa un'anno dopo, William Thomas Brande e Sir Humphrey Davy utilizzarono il processo
di elettrolisi sull'ossido di litio e riuscirono ad isolare il metallo, seppur in quantità minime e
per pochi secondi (il metallo ottenuto bruciava a contatto con l'aria a causa della sua
elevata instabilità).
Nel 1854, Robert Bunsen e Augustus Matthiessen riuscirono a preparare il metallo in
quantità discrete e stabili sempre tramite elettrolisi (partendo dal cloruro di litio).
La produzione commerciale del litio venne iniziata nel 1923 dalla compagnia tedesca
Metallgesellschaft AG, attraverso l'uso dell'elettrolisi partendo dal cloruro di litio e dal
cloruro di potassio.
La crescita dell'industria del litio è legata alla seconda guerra mondiale, a causa della
richiesta del metallo per applicazioni atomiche (centrali nucleari e bomba all'idrogeno).
A partire dal 1950, il litio è stato impiegato in una gran varietà di applicazioni, tra cui
batterie, ceramiche, allumini e leghe leggere, gomme sintetiche, farmaci ed altre.
Caratteristiche fisico-chimiche
Il litio (simbolo chimico Li) è un metallo alcalino (gruppo IA), incluso nella tavola periodica
con numero atomico 3.
Nella sua forma pura, è un metallo soffice color argento, che si ossida rapidamente a
contatto con l'aria o l'acqua.
Il litio ha due isotopi, il 6Li, poco presente in natura, e il 7Li, più pesante e molto più
abbondante (92.6%).
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Il peso atomico, pari a 6.491 g/mol, è il risultato dalla diversa abbondanza dei due isotopi
in natura.
A temperatura ambiente, il litio è il metallo più leggero presente sulla crosta terreste, con
una densità di soli 535 kg/m3 (l'acqua distillata ha una densità di circa 1000 kg/m3).
Come gli altri metalli alcalini, il litio nella sua forma pura è altamente infiammabile e
leggermente esplosivo se esposto all'aria e soprattutto all'acqua, con la quale reagisce in
maniera violenta (produzione di idrogeno).
Il litio nella sua forma pura è corrosivo e deve essere maneggiato con cura evitando il
contatto con la pelle.
Il litio è considerato leggermente tossico.
In tabella vengono riportate le principali caratteristiche chimico-fisiche del materiale.
Densità
535 kg/m3
Struttura cristallina
Cubica
Isotopi (presenza in natura in %)
6
Stato di ossidazione
1 (base forte)
Peso atomico
6.941 g/mol
Punto di fusione
453.69 °K (180.54 °C)
Punto di ebollizione
1615 °K (1342 °C)
Calore specifico a 25°C
3582 J/(Kg°K)
Conducibilità termica
84.7 W/(m°K)
Conducibilità elettrica
10.8 x 10-6 S/m
Li (7.4%) e 7Li (92.6%)
Depositi ed estrazione del litio
A causa della sua elevata reattività il litio non è presente in natura nella sua forma pura.
Piccole tracce sono presenti in quasi tutti i minerali, salamoie, argille e nell'acqua marina
(in media, la crosta terreste contiene 60 ppm, parti per milione, di litio).
Il litio non è un materiale raro: in termini di abbondanza sulla Terra è il 27esimo elemento,
meno presente rispetto al sodio, potassio, nickel e rame, ma più abbondante del piombo e
dello stagno.
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Le attuali stime sono di circa 13 milioni di tonnellate di litio estraibile ed utilizzabile a livello
commerciale.
Per dare un'idea della quantità riportata, si pensi che tali riserve sono più che sufficienti a
produrre le batterie per rimpiazzare l'intero parco di autovetture a combustione (circa 900
milioni) con auto elettriche dall'autonomia di circa 200 km (ovvero con batterie Li-ioni da
circa 30 kWh*).
Le principali fonti di approvvigionamento sono i minerali e le salamoie (dall'inglese “brine”,
ovvero una gelatina ad alto contenuto salino).
Nella successiva immagine sono mostrati i principali depositi a livello mondiale.
*una batteria Li-ioni (catodo LiFe2Po4) per questo uso contiene meno di 1 kg di litio al proprio interno; moltiplicando questo numero per
il parco circolante risulta: 1 x 900,000,000 = 900,000,000 kg, ovvero 0.9 milioni di tonnellate di litio, meno di un decimo delle riserve
stimate.
Figura 1 - principali riserve di salamoie e minerali ricchi di litio
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Esistono più di 200 minerali contenenti litio, ma solo circa 25, che contengono almeno il
2% di ossido di litio (Li2O), possono essere impiegati come fonte di approvvigionamento.
Tra questi, solo quattro sono presenti in quantità sufficienti da giustificarne l'estrazione per
usi industriali: lepidolite, spodumene, petalite e amblygonite.
Nella successiva tabella sono riportate alcune caratteristiche di questi minerali .
Minerale
Formula empirica
Contenuto teorico
di Li %
Contenuto tipico di
Li %
Spodumene
LiAl(Si2O6)
8.03
1.5 - 7
Petalite
LiAl(Si2O10)
4.50
3.0 - 4.5
Amblygonite
(Li,Na)Al(PO4)(F,OH)
10.1
8.0 - 9.0
Lepidolite
K(Li,Al)3(AlSi4O10)(F,OH)2 7.50
4.0 – 5.0
I minerali contenenti il litio sono piuttosto diffusi a a livello planetario.
I depositi più importanti si trovano nel North Carolina (USA), Bernic Lake (Canada),
Bunbury (Australia) e Bikita (Zimbabwe).
Depositi minori di pegmatite (rocce di origine magmatica che contengono i minerali ricchi
di litio) sono presenti in Russia, Cina, India, Mozambico, Zaire e Brasile.
In Europa, pur essendoci traccie di pegmatite in Svezia, Finlandia, Irlanda, Francia,
Spagna e Portogallo, non sono stati individuati depositi sufficienti per uno sfruttamento
industriale.
Le miniere di estrazione sono normalmente a cielo aperto.
Dato che i minerali sono normalmente estratti in una matrice contenente altre rocce
(quarzo, mica, ecc), è necessario un processo di sospensione e separazione per ottenere
un concentrato che può essere venduto oppure ulteriormente raffinato.
Il processo necessario per ottenere il litio a partire dai minerali è estremamente
energivoro.
Per questo motivo, negli ultimi 40 anni, il processo di estrazione del litio a partire da
salamoie ha assunto sempre una maggior importanza, essendo più economico e a minor
impatto ambientale.
A differenza dei depositi di minerali, le salamoie contenenti elevate percentuali di litio sono
concentrate in poche aree secche del pianeta con particolari condizioni geologiche (in
particolare in alcuni laghi salati).
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Nella tabella successiva sono riportati i giacimenti più importanti:
Deposito
Contenuto di litio (% in peso)
Salar de Atacama (Chile)
0.16
Salar de Uyuni (Bolivia)
0.032
Salar del Hombre Muerto (Argentina)
0.052
Salar del Rincon (Argentina)
0.033
Silver Peak (Nevada, USA)
0.020
Great Salt Lake (Utah, USA)
0.002
Zabuye Lake (Tibet, China)
0.068
Dong Tajnar Hu (East Lake, Qinghai, China)
0.086
Acqua marina
0.000017
Il processo necessario per ottenere il carbonato di litio a partire dalle salamoie è composto
da due parti.
Inizialmente, le salamoie vengono pompate in superficie da profondità che variano da 50
cm fino a 900 m (Silver Peak).
Il materiale estratto viene quindi convogliato in enormi vasche di evaporazione (3 kmq nel
Salar de Atacama, in figura, fino a 16 kmq per lo stabilimento di Silver Peak).
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Figura 2 - stabilimento presso il Salar de Atacama per l'evaporazione delle salamoie
contenenti elevate percentuali di litio.
Durante il processo di evaporazione è necessario ripulire le vasche dai sali più pesanti
presenti nelle salamoie, tra cui sodio, potassio e magnesio presenti in varie forme.
Per ottenere una soluzione di cloruro di litio che possa essere impiegata per scopi
industriali (da 6000 a 60000 ppm di Li) sono necessari dai 12 ai 18 mesi.
Tali tempistiche sono un elemento chiave dell'industria del litio, in quanto occorre fare
delle previsioni sui consumi futuri in anticipo di 4-5 anni per evitare carenze nell'offerta
rispetto alla domanda.
Nella successiva immagine sono riportati schematicamente le varie famiglie di composti
contenenti litio ottenuti a partire da minerali e salamoie.
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Figura 3 - schema ad albero dei principali composti di litio commercializzati a partire da
minerali e salamoie
I principali produttori di composti di litio sono il gruppo SQM (multinazionale cilena) ed il
gruppo Rockwood (multinazionale americana).
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Applicazioni
I principali utilizzatori del minerale sono gli Stati Uniti d'America.
Il litio è impiegato in moltissime applicazioni e campi diversi.
In particolare, il litio (nelle sue varie forme) viene impiegato nell'industria del vetro
(ceramiche, ottiche di precisione, rivestimenti), nelle leghe metalliche, nelle batterie
secondarie, come componente in alcuni medicinali e, in futuro, nella fusione nucleare.
In campo medico, lo ione litio è coinvolto negli equilibri elettrochimici delle cellule del
sistema nervoso e viene spesso prescritto come farmaco nelle terapie per il trattamento di
sindromi maniaco-depressive.
A causa della bassa densità, il litio è molto interessante per alligazioni metalliche.
Le principali leghe contenenti litio sono a base di alluminio, rame, manganese e cadmio: in
particolare, vengono utilizzate in campo aeronautico per parti ad elevate prestazioni
specifiche.
Il suo impiego nelle batterie è dovuto alla bassa densità, buona conducibilità elettrica e
semplicità di riciclaggio.
Molti dei problemi delle vecchie generazioni di batterie al piombo (scarsa densità
energetica e problemi di riciclaggio) o al nickel (elevate temperature di funzionamento)
sono stati risolti grazie all'impiego di questo materiale.
Nella successiva tabella si riporta una comparazione di massima tra alcune tecnologie di
accumulo energetico, oggi in commercio, in termini di energia e potenza specifica
(misurate rispettivamente in Wh/kg e W/kg):
Tecnologia
Energia specifica [Wh/Kg]
Potenza specifica [W/kg]
Batteria Li-ioni (Kokam)
150
150
Batteria Nickel-sodio (Zebra)
90
150
Batteria Ni-MH (Panasonic)
42
124
Batteria Pb-acido (Hawker)
27
95
Supercapacitore (Maxwell)
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Attualmente non vi è quasi nessun programma per il riciclaggio del litio, anche se negli
Stati Uniti ed in Giappone si è da poco iniziato a recuperare le batterie esaurite.
Infine, in futuro, il litio potrebbe essere impiegato nei reattori a fusione nucleare per
generare trizio (a questo proposito si veda il progetto europeo DEMO), uno dei
combustibili necessari.
(fonte principale: "Lithium, production and application of a fascinating and versatile
element" - Verlag Moderne Industrie - Chemetall - Munich, Germany, 2006)
Torino, ottobre 2009
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Litio, elemento base della nuova generazione
di batterie per autotrazione
una breve panoramica
sul materiale che sta rivoluzionando
il mondo del trasporto su ruote
verso una maggiore sostenibilità
ambientale
Breve storia del litio
Caratteristiche fisico-chimiche
Depositi ed estrazione del litio
Applicazioni
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