خلاصه
لیتیوم جزئی جدایی‌ناپذیر از تمام مواد و واکنش‌های شیمیایی لازم براید تأمین برق خودروهای الکتریکی است. علاوه بر باتری خودروها، لیتیوم عنصری اساسی در تولید باتری گوشی‌های همراه، لپتاپ، دوربین‌ها و بسیاری دیگر از تجهیزات الکترونیکی است. به همین دلیل، لیتیوم به طلای جدید در صنایع معدنی بدل شده و بیشتر از هر زمانی در تاریخ توجهات را به خود جلب کرده است.
کاربردهای فراوان آن لیتیوم را به یکی از محبوب‌ترین فلزات جهان تبدیل کرده‌اند. با این حال، لیتیوم هم‌زمان با چرخ بودن برای تحول دیجیتال جهان، چالش‌هایی را نیز به همراه دارد که هنوز پاسخ قانع‌کننده‌ای برای حل بحران‌های متناظر و پیش رو ارائه نشده‌اند. به ویژه، کنترل خوبی بر زنجیره تأمین لیتیوم وجود ندارد و فرایندهای فرآوری آن در مناطق مختلف، بخصوص کشورهای با اقتصاد ضعیف، بحران‌های زیست‌محیطی را به همراه داشته یا خواهند داشت.
اما شاید سوال اصلی این باشد که آیا لیتیوم همان عنصر کیمیاگر برای حذف دی‌اکسید کربن و ایجاد صنایع سبز است؟ یا اینکه هیجان کنونی حول باتری‌های لیتیومی در ادامه به بحران زیست‌محیطی و گریبان‌گیر برای صنعت معدن تبدیل نمی‌شود؟
جایگاه و نحوه استفاده از لیتیوم در تولید باتری
هم‌زمان با روندهای یک دهه اخیر در تولید خودروهای الکتریکی و مهاجرت به انرژی‌های تجدیدپذیر، تقاضا برای لیتیوم سر به فلک کشیده است. لیتیوم سبک‌ترین فلز، دارای بیشترین پتانسیل الکتروشیمیایی است و بیشترین انرژی در نسبت وزنی را فراهم می‌کند.
تلاش برای ساخت باتری‌های لیتیومی در سال ۱۹۱۲ و در جریان تحقیقات G.N. Lewis آغاز شد، اما تقریبا ۶۰ سال طول کشید تا اولین باتری لیتیومی (غیرقابل شارژ) به صورت تجاری در دسترس قرار گیرد. تلاش‌ها برای تولید انواع قابل‌شارژ در دهه بعدی با شکست همراه بود. بخصوص، مشخص شد که در هنگان فعالیت باتری لیتیومی دمای سلول به شدت بالا می‌رود و باعث فرار حرارتی انرژی الکتریسیته می‌شود (اتفاقی که اکنون نیز در باتری برخی گوشی‌های همراه اتفاق می‌افتد).
تعداد زیادی از باتری‌های قابل‌شارژ که در دهه ۹۰ میلادی ساخته شدند حوادث ناگواری را به همراه داشتند. در تحقیقات بعدی مشخص شد که استفاده از یون‌های لیتیوم می‌تواند بر این مشکل عبور جریان از دیواره جداکننده آند و کاتد فارغ آید. در سال ۱۹۹۱ سونی اولین باتری لیتیوم یونی را معرفی کرد و تا به امروز این ترکیب امیدبخش‌ترین شیوه در تولید باتری‌های لیتیومی است.
نحوه عملکرد باتری لیتیومی
باتری از یک آند، کاتد، جداکننده، الکترولیت و دو جمع‌کننده جریان (مثبت و منفی) تشکیل شده است. آند و کاتد لیتیوم را در خود ذخیره می‌کنند. الکترولیت، از طریق جداکننده، یون‌های لیتیوم با بار مثبت را از آند به کاتد و بالعکس منتقل می‌کند. حرکت یون‌های لیتیوم باعث ایجاد الکترون‌های آزاد در آند می‌شود که خود باعث ایجاد بار در جمع‌کننده جریان مثبت می‌گردد. سپس جریان الکتریکی از جمع‌کننده جریان و از طریق دستگاهی که تغذیه می‌شود (تلفن همراه، کامپیوتر و غیره) به جمع‌کننده جریان منفی می‌رسد. در ادامه، جداکننده جریان الکترون‌ها را در داخل باتری مسدود می‌کند.
درحالی که باتری در حال تخلیه و تأمین جریان الکتریکی برای دستگاه است، آند یون‌های لیتیوم را به کاتد می‌دهد و جریانی از الکترون‌ها از یک طرف به سمت دیگر به وجود می‌آید. در هنگامی که باتری تخلیه و نیاز به شارژ شدن دارد، یون‌های لیتیوم (در جریانی معکوس) توسط کاتد آزاد می‌شوند و توسط آند دریافت می‌گردند.
تقاضا برای لیتیوم
از دهه نود میلادی و پس از معرفی باتری‌های لیتیومی قابل‌شارژ، هزینه استفاده از آن‌ها ۹۸ درصد کاهش یافته است. هم‌زمان، تقاضا برای لیتیوم سر به فلک کشیده، چنانکه نگرانی درباره امکان تأمین تقاضای صعودی برای لیتیوم بالا گرفته است.
برای نمونه، در سال ۲۰۱۹ تنها ۲.۵ درصد از خودروهای تولیدی الکتریکی بودند؛ این عدد در سال ۲۰۲۰ به ۴ درصد رسید و در ۲۰۲۱ از ۹ درصد عبور کرد (در حال حاضر سهم خودروهای الکتریکی از بازار خودرو نزدیک به ۱۴ درصد است).
بنابراین، سوال اینجاست که آیا صنعت معدن، به عنوان تأمین کننده لیتیوم مورد نیاز برای تولید این باتری‌ها، امکان تأمین تقاضای فزاینده برای آن را دارد. یا اینکه آیا جهان به میزان کافی برای تقاضای پیش رو برای لیتیوم ذخیره دارد؟
جواب سوال دوم آری است و حداقل برای چند ده سال آینده لیتیوم کافی برای تولید باتری وجود دارد. با این حال، میزان تولید معادن هرگز با تقاضا برای لیتیوم و رشد مضاعف آن توازون ندارد. به ویژه، بسیاری از ذخایر کشف‌شده کنونی را نمی‌توان با فناوری‌های امروز در صنعت معدن استخراج کرد.
صنعت معدن کاری و بازار داغ لیتیوم
بنا بر برآورد سال ۲۰۲۱، میزان ذخیره لیتیوم در مناطق مختلف جهان حدود ۸۸ میلیون تن است. از این مقدار تنها یک چهارم، یعنی ۲۲ میلیون تن، قابل برداشت عنوان شده و ما باید این عدد را به عنوان ذخیره درنظر بگیریم. این در حالی است که در سال ۲۰۲۲ میزان لیتیوم مصرفی بیشتر از ۱۴۲ هزار تن بوده است. همچنین، در سال ۲۰۲۱ معادن مختلف لیتیوم ۱۰۷ هزار تن از این فلز را استخراج کرده‌اند. با این حال، این اعداد مدام در حال تغییرند؛ هر سال ذخایر معدنی بیشتری از فلز لیتیوم کشف می‌شوند و فناوری‌های جدیدتری امکان دسترسی به ذخایر پایه را به معادن می‌دهند. هم‌زمان، تقاضا برای لیتیوم نیز با نرخی تصاعدی در حال افزایش است. تصاویر زیر میزان ذخایر کشف‌شده لیتیوم و ذخایر قابل استخراج در سال‌های اخیر را نشان می‌دهند.
بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی انتظار می‌رود تا ۲۰۵۰ ما چند سناریو درباره میزان تقاضا برای لیتیوم را پیش رو داشته باشیم. در تقریب اول، ما به ۹ میلیون تن لیتیوم نیاز داریم و در تقریب دوم میزان موردنیاز بیشتر از ۲۵ میلیون تن است. اگرچه فاصله این دو تقریب بسیار زیاد است، اما آنچه که مشخص است، نیاز به جایگزینی لیتیوم با فلزی دیگر یا کاهش شدید میزان مصرفی لیتیوم در باتری‌هاست.
کشورها با بیشترین میزان ذخایر لیتیوم
شیلی بزرگترین تولیدکننده لیتیوم نیست، اما بزرگترین ذخایر لیتیوم را در خاک خود دارد. پیش‌بینی می‌شود در حدود ۹.۳ میلیون تن لیتیوم در شیلی موجود باشد. شیلی دومین تولیدکننده لیتیوم در سال ۲۰۲۳ با ۴۴ هزار تن بود. بزرگترین سایت معدنی شیلی Salar de Atacama نام دارد که در سال ۲۰۲۳، نزدیک به ۰.۱۶ mtpa تولید داشته است.
در رده دوم استرالیا قرار دارد که نزدیک به ۴.۸ میلیون تن لیتیوم ذخیره دارد. بزرگترین معدن لیتیوم دنیا نیز Greenbushes Lithium Operations است که در سال ۲۰۲۳، ۰.۲۱ mtpa لیتیوم تولید کرده است.
سومین کشور دنیا ازنظر میزان ذخایر لیتیوم آرژانتین است که ۳.۶ میلیون تن لیتیوم در خود دارد. آرژانتین همچنین ۴امین کشور ازنظر استخراج لیتیوم در دنیاست. چین نیز با ۳ میلیون تن ذخیره در رتبه ۴ام است.
بزرگترین معادن لیتیوم جهان
- سایت معدنی Greenbushes استرالیا بزرگترین سایت معدنی برداشت لیتیوم با ظرفیت کنونی ۰.۲۱ میلیون تن در سال است.
- Salar de Atacama Mine: این معدن در شیلی قرار دارد و تخمین‌زده می‌شود بیشترین ذخایر معدنی را در خود داشته باشد (در مقایسه با سایر معادن این لیست). میزان برداشت آن در ۲۰۲۳ کمتر از ۰.۱۶ میلیون تن بود.
- Wodgina Lithium Mine: صاحبان این معدن استرالیایی دو شرکت Albemarle و Mineral Resource هستند. در سال ۲۰۲۳ آن‌ها بیشتر از ۵۵ هزار تن تن لیتیوم استخراج کردند.
- Mount Marion Lithium Project: این معدن روباز در غرب استرالیا قرار دارد و توسط Ganfeng Lithium Group اداره می‌شود. در سال ۲۰۲۳ آن‌ها ۴۶ هزار تن لیتیوم استخراج کرده‌اند.
- Pilgangoora Project: این معدن روباز نیز در غرب استرالیا و منطقه معدنی Pilbara قرار دارد. در سال ۲۰۲۳ میزان برداشت این معدن ۴۴ هزار تن لیتیوم بوده است.
- Chaerhan Lake Mine: این معدن لیتیوم در Qinghai چین قرار دارد و در سال ۲۰۲۳ بیشتر از ۲۷ هزار تن لیتیوم استخراج کرده است.
میزان ذخایر لیتیوم در ایران
داستان لیتیوم در ایران کمی پیچیده‌تر از سایر مواد معدنی مانند آهن است. بنا بر پیش‌بینی‌ها در ایران نزدیک به ۸.۵ میلیون تن لیتیوم قرار دارد، یعنی در حدود ۱۰ درصد از کل ذخیره جهانی. با این حال، به دلایل مختلفی ایران حتی جزء ۲۰ کشور برتر در زمینه استخراج لیتیوم نیز نیست. معدن چاه‌شیرین به عنوان بزرگترین معدن لیتیوم ایران معرفی شده، اما تقریبا هیچ حجم تولیدی از آن گزارش نشده است. بنابراین، یا برداشت از این ذخایر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیستند، یا سرمایه‌گذاری و فناوری لازم برای بهره‌برداری از ذخایر کشف‌شده کنونی در دسترس نیست.
چالش‌های مرتبط با استخراج لیتیوم
تقاضا برای لیتیوم باعث شده که بسیاری از معادن بدون درنظر گرفتن استانداردهای بین‌المللی در استخراج ایمن اقدام به برداشت از ذخایر کنند. این تلاش مضاعف، اما غیراصولی، برای استخراج لیتیوم بیشتر، باعث بروز نگرانی‌های زیست‌محیطی شده است که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.
- تخریب زمین و منابع آبی: استخراج لیتیوم معمولا به صورت روباز انجام می‌شود و سطح گسترده‌ای از زمین باید تخریب گردد. اگر این ذخایر در مناطق جنگلی قرار داشته باشند نتیجه جنگل‌زدایی گسترده است، مانند نمونه‌ای که در شیلی دیده می‌شود. هم‌زمان، استخراج لیتیوم و فرآوری آن به منابع آب بسیار زیادی نیاز دارند. در نتیجه این استفاده مضاعف از زمین و منابع آب، حجم وسیعی از زمین‌های مرتبط با معدن و پیرامون آن درگیر فرایندهای استخراج می‌شوند و عملیات معدنکاوی اکوسیستم منطقه را از جنبه‌های مختلف به چالش می‌کشند.
- آلودگی آب‌های منطقه: فرآوری لیتیوم از سنگ معدن آن نیاز به استفاده از مواد شیمیایی خطرناک دارد که خود عامل اصلی در آلودگی آب‌های زیرزمینی و رودخانه‌های اطراف معدن است. این آلودگی در ادامه به آبزیان آسیب می‌زند یا موجب بروز انواع بیماری در جوامع محلی می‌شود.
- انتشار گازهای گلخانه‌ای: لیتیوم جزء مواد معدنی با میزان بالا از انتشار گازهای گلخانه‌ای است، دلیل اصلی این امر نیاز به ایجاد سایت‌های روباز گسترده و عبور و مرور مستمر تجهیزات معدنی در مناطق مختلف معدن و استفاده از تجهیزات عظیم در فرایندهای آماده‌سازی سنگ معدن است.
- مصرف انرژی: تمام فرایندهای فرآوری لیتیوم با مصرف انرژی بالا همراه هستند و شیوه‌های سنتی در استخراج حتی انرژی بیشتری را صرف می‌کنند. این در حالی است که هدف اصلی در استفاده از باتری‌های لیتیومی کاهش هدر رفت انرژی و روی آوردن به انرژی‌های تجدیدپذیر است.
برخی از کاربردهای لیتیوم
لیتیوم عمدتا به دلیل کاربردش در صنعت تولید خودروهای الکتریکی شناخته‌شده است؛ با این حال، کاربردهای آن بسیار فراتر از تولید باتری برای خودروهای EV است. در ادامه به برخی از کاربردهای شاخص Lithium در صنایع مختلف می‌پردازیم.
- تجهیزات الکترونیک قابل حمل: از گوشی همراه گرفته تا لپتاپ و دوربین‌های عکاسی، تقریبا هرآنچه که به انرژی الکتریسیته نیاز دارد و قابل حمل است به فلز لیتیوم وابسته است.
- ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر: انرژی‌های تجدیدپذیر در کانون تحول دیجیتال و مهاجرت به انرژی‌های پاک قرار دارند. بسیاری از سایت‌های تولید انرژی‌های بادی و خورشیدی از باتری‌های عظیم برای ذخیره استفاده می‌کنند که در آن‌ها عنصر لیتیوم به کار گرفته شده است.
- تجهیزات پزشکی: به دلیل وزن بسیار کمی که دارد، لیتیوم عنصری اساسی برای تولید تجهیزات پوشیدنی الکترونیکی در حوزه پزشکی است. بخصوص، تجهیزات حیاتی چون ضربان‌سازهای قلب از باتری‌های لیتیومی انرژی می‌گیرند.
- هوا فضا و صنایع نظامی: باتری‌های لیتیومی به دلیل چگالی انرژی بالا و وزن کمی که دارند در تجهیزات مختلف هوافضا و نظامی ازجمله هواپیماهای بدون سرنشین، تجهیزات ارتباطی و سایر دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل به کار گرفته می‌شوند.
- شیشه و سرامیک: از ترکیبات لیتیوم در تولید انواع شیشه و سرامیک نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال، کربنات لیتیوم برای تولید شیشه‌های مقاوم در برابر حرارت (مانند شیشه‌های مورد استفاده در ساخت مایکروویو) و بهبود استحکام و دوام محصولات سرامیکی استفاده می‌شوند.
- انواع گریس‌ها: هیدروکسید لیتیوم یک مشتق از فلز لیتیوم است که نقشی کلیدی در تولید گریس دارد و در صنایع برای کاهش سطح اصطکاک استفاده می‌شود.
- سیستم‌های تهویه هوا: لیتیوم و مشتقات آن خاصیت جذب رطوبت بسیار مطلوبی دارند و به همین دلیل در تجهیزاتی استفاده می‌شوند که نیاز به فیلتر کردن آب دارند.
- داروسازی: کربنات لیتیوم و لیتیوم سیترات در تولید برخی از داروها استفاده می‌شوند. برای مثال، برای درمان بیماری‌های روانی مانند اختلال دوقطبی، از دوزهای کنترل‌شده‌ای از لیتیوم بهره گرفته می‌شود.
آیا جایگزینی برای لیتیوم در تولید باتری وجود دارد؟
نکته کلیدی درباره باتری‌های لیتیومی امکان بازیافت آن‌ها و ایجاد حلقه‌هایی در تولید باتری از لیتیوم بازیافت شده است. در حال حاضر تنها ۵ درصد از لیتیوم از باتری‌های تولیدشده بازیافت می‌شود و دنیا فاصله بسیار زیادی با ایجاد چرخه‌های پایدار دارد. اما آنچه مشخص است ذخایر محدود لیتیومی است که با نرخ افزایشی تقاضا بالاخره روزی به پایان می‌رسند و جهان مجبور به بازیافت نزدیک به ۱۰۰ درصد لیتیوم خواهد بود.
تا آن زمان، می‌توان به فکر جایگزینی لیتیوم با مواد دیگر و ایجاد خطوط تولید موازی با باتری‌های لیتیومی بود.
نزدیک‌ترین ماده، از نظر خواص شیمیایی، سدیم است که در تحقیقات برای تولید باتری‌های غیرلیتیومی در کانون توجه است. اگرچه ساختار شیمیایی بسیار نزدیکی به لیتیوم دارد، تقریبا هیچ محدودیتی از نظر برداشت برای آن نیست، اما هنوز فناوری لازم برای تولید باتری‌های بهینه از آن توسعه نیافته است.
گزینه بسیار امیدوارکننده بعدی، منگنز است. برخلاف سدیم و لیتیوم، منگنز می‌تواند شارژ الکتریکی بیشتر از +۱ با خود حمل کند (+۲). در حال حاضر تحقیقات زیادی برای توسعه باتری‌های منگنزی در جریان است و باور بر این است که در آینده‌ای ده ساله می‌توان این باتری‌ها را جایگزین انواع لیتیومی کرد.
گزینه بعدی که توسط ماریا هلنا بارگا و جان گوداناف (برنده جایزه نوبل برای طراحی باتری‌های لیتیوم یونی) معرفی شده، باتری شیشه‌ای یا Glass Batteries است. اصلی‌ترین مولفه این باتری‌ها الکترولیت است که از شیشه‌ای با یون‌های سدیم ساخته شده است. این باتری‌ها از نظر زیست‌محیطی نیز بسیار بهینه‌ترند و عوارض جانبی کمتری برای آن دارند.
جمع‌بندی
در حال حاضر، میزان تقاضا برای لیتیوم در حدود ۰.۷۲ میلیون تن است و میزان تولید نیز ۰.۷۵ میلیون تن است. با این وجود تا سال ۲۰۳۰ میزان تولید لیتیوم به ۱.۶ میلیون تن می‌رسد و هم‌زمان تقاضا برای آن از ۳.۰۶ میلیون تن عبور می‌کند. با این حال، تا ۲۰۳۰ فناوری‌های بیشتری در کاهش میزان موردنیاز لیتیوم در هر باتری بروز می‌کنند و احتمالا جایگزین‌های خوبی برای لیتیوم معرفی خواهند شد.
تا زمان معرفی باتری‌های غیرلیتیومی یا ایجاد چرخه‌های بازیافت ۱۰۰ درصدی، جهان هر روز به میزان بیشتری از استخراج لیتیوم نیاز خواهد داشت. بخصوص در حضور روند فوق‌العاده جدی و همه‌گیر جایگزینی انرژی‌های فسیلی با انواع تجدیدپذیر، نقش باتری‌های لیتیومی پررنگ‌تر از هر زمانی شده و تقاضا برای آن در بازه‌ای ۶ ساله بیشتر از ۲۵۰ درصد رشد می‌کند.
در حال حاضر تنها ۵ درصد لیتیوم از باتری‌های تولیدشده بازیافت می‌شود. دلیل اصلی در این میزان پایین، هزینه بالای بازیافت ( بسیار بیشتر از هزینه استخراج) است. علاوه بر این، فناوری‌های کنونی در استخراج با چالش‌های زیست‌محیطی و نشت مواد خطرناک همراهند و همین امر باعث کندتر شدن روندهای بازیافت و به‌صرفه نبودن آن‌ها می‌شود.
سوالات متداول
چرا در باتری خودروهای الکتریکی از لیتیوم استفاده می‌شود؟
لیتیوم چگالی انرژی بالایی دارد، بسیار سبک است و طول عمر بسیار بلندی دارد. در نتیجه، گزینه مناسبی برای تولید باتری است. به دلیل چگالی بالا، باتری‌های لیتیومی امکان ذخیره حجم بالاتری از انرژی را در خود دارند. طول عمر بالا نیز باعث می‌شود پس از شارژ و تخلیه‌های مکرر این باتری‌ها همچنان قابلیت‌های اصلی خود را حفظ کنند.
معادن لیتیوم چه نقشی در تحول دیجیتال بازی می‌کنند؟
لیتیوم عنصر اصلی، حداقل در حال حاضر، در تولید باتری‌های لازم برای ذخیره انرژی و استفاده در انواع دستگاه‌های الکتریکی و خودروهاست. آن‌ها در خط مقدم تحول دیجیتال و انرژی قرار دارند. با افزایش تقاضا برای لیتیوم، معادن لیتیوم نقش کلیدی‌تری در تأمین زیربنای لازم برای تحول دیجیتال بازی خواهند کرد.
ذخیره لیتیوم جهان چقدر است؟
به‌طور تقریبی در حدود ۸۸ میلیون تن لیتیوم در مناطق مختلف جهان ذخیره شده‌اند. با وجود این، بیشتر از نظر مقرون به‌صرفه بودن، تنها ۲۲ میلیون از این ذخایر قابل استخراج هستند.
آیا گزینه‌های جایگزینی برای باتری لیتیومی وجود دارند؟
پاسخ کوتاه بله است، باتری‌های سدیمی یا منگنزی نمونه‌هایی از این گزینه‌های جایگزین هستند. با وجود این، باتری‌های جایگزین هنوز در مراحل توسعه خود هستند و حداقل تا سال ۲۰۳۰ باتری‌های لیتیومی همچنان گزینه اصلی برای ذخیره الکتریسیته و استفاده در تجهیزات برقی‌اند.
