Lithium

Lithium (aus dem Griechischen: λίθος, romanisiert: lithos, lit. ‘Stein’) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Li und der Ordnungszahl 3. Es ist ein weiches, silbrig-weißes Alkalimetall. Unter Standardbedingungen ist es das leichteste Metall und das leichteste feste Element. Wie alle Alkalimetalle ist Lithium sehr reaktiv und brennbar und muss in Mineralöl gelagert werden. Beim Schneiden weist es einen metallischen Glanz auf, aber feuchte Luft korrodiert es schnell zu einem stumpfen silbergrauen, dann schwarzen Anlaufen. Es kommt in der Natur nie frei vor, sondern nur in (meist ionischen) Verbindungen, wie z.B. in pegmatitischen Mineralien, die einst die Hauptquelle für Lithium waren. Aufgrund seiner Löslichkeit als Ion kommt es im Meerwasser vor und wird üblicherweise aus Sole gewonnen. Lithiummetall wird elektrolytisch aus einer Mischung von Lithiumchlorid und Kaliumchlorid isoliert.

Der Kern des Lithiumatoms grenzt an Instabilität, da die beiden in der Natur vorkommenden stabilen Lithiumisotope zu den niedrigsten Bindungsenergien pro Nukleon aller stabilen Nuklide gehören. Wegen seiner relativen Kerninstabilität ist Lithium im Sonnensystem weniger häufig als 25 der ersten 32 chemischen Elemente, obwohl seine Kerne sehr leicht sind: Es ist eine Ausnahme von dem Trend, dass schwerere Kerne weniger häufig sind. Aus verwandten Gründen hat Lithium wichtige Anwendungen in der Kernphysik. Die Transmutation von Lithiumatomen zu Helium im Jahr 1932 war die erste vollständig vom Menschen verursachte Kernreaktion, und Lithiumdeuterid dient als Fusionsbrennstoff in gestuften thermonuklearen Waffen.

Lithium und seine Verbindungen haben mehrere industrielle Anwendungen, darunter hitzebeständiges Glas und Keramik, Lithium-Schmiermittel, Flussmittelzusätze für die Eisen-, Stahl- und Aluminiumproduktion, Lithium-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien. Diese Anwendungen verbrauchen mehr als drei Viertel der Lithiumproduktion.

Lithium ist in biologischen Systemen in Spuren vorhanden; seine Funktionen sind ungewiss. Lithiumsalze haben sich als stimmungsstabilisierendes Medikament bei der Behandlung bipolarer Störungen beim Menschen als nützlich erwiesen.

Geschichte

Petalite (LiAlSi4O10) wurde 1800 von dem brasilianischen Chemiker und Staatsmann José Bonifácio de Andrada e Silva in einem Bergwerk auf der Insel Utö, Schweden, entdeckt. Doch erst 1817 entdeckte Johan August Arfwedson, damals im Labor des Chemikers Jöns Jakob Berzelius, bei der Analyse von Petaliterz ein neues Element. Dieses Element bildete Verbindungen, die denen von Natrium und Kalium ähnlich sind, obwohl sein Karbonat und sein Hydroxid weniger wasserlöslich und weniger alkalisch waren. Berzelius gab dem alkalischen Material den Namen “lithion/lithina”, vom griechischen Wort λιθoς (transliteriert als lithos, was “Stein” bedeutet), um seine Entdeckung in einem festen Mineral widerzuspiegeln, im Gegensatz zu Kalium, das in Pflanzenasche entdeckt worden war, und Natrium, das teilweise für seinen hohen Gehalt an Tierblut bekannt war. Er nannte das Metall im Inneren des Materials “Lithium”.

Arfwedson zeigte später, dass dasselbe Element in den Mineralien Spodumen und Lepidolith vorkommt. Christian Gmelin war 1818 der erste, der beobachtete, dass Lithiumsalze der Flamme eine leuchtend rote Farbe verleihen. Sowohl Arfwedson als auch Gmelin versuchten jedoch, das reine Element aus seinen Salzen zu isolieren, was ihnen nicht gelang. Es wurde erst 1821 isoliert, als William Thomas Brande es durch Elektrolyse von Lithiumoxid erhielt, ein Verfahren, das zuvor von dem Chemiker Sir Humphry Davy zur Isolierung der Alkalimetalle Kalium und Natrium eingesetzt worden war. Brande beschrieb auch einige reine Lithiumsalze, wie z.B. das Chlorid, und schätzte das Atomgewicht von Lithium auf etwa 9,8 g/mol (moderner Wert ~6,94 g/mol), wobei er schätzte, dass Lithia (Lithiumoxid) etwa 55% Metall enthielt. 1855 wurden größere Mengen Lithium durch die Elektrolyse von Lithiumchlorid von Robert Bunsen und Augustus Matthiessen hergestellt. Die Entdeckung dieses Verfahrens führte 1923 zur kommerziellen Produktion von Lithium durch die deutsche Firma Metallgesellschaft AG, die eine Elektrolyse einer flüssigen Mischung aus Lithiumchlorid und Kaliumchlorid durchführte.

Die Herstellung und Verwendung von Lithium erfuhr in der Geschichte mehrere drastische Veränderungen. Die erste größere Anwendung von Lithium war die Verwendung in Hochtemperatur-Lithiumfetten für Flugzeugmotoren und ähnliche Anwendungen im Zweiten Weltkrieg und kurz danach. Diese Verwendung wurde durch die Tatsache unterstützt, dass Seifen auf Lithiumbasis einen höheren Schmelzpunkt als andere Alkaliseifen haben und weniger korrosiv als Seifen auf Kalziumbasis sind. Die geringe Nachfrage nach Lithiumseifen und Schmierfetten wurde durch mehrere kleine Bergbaubetriebe, hauptsächlich in den USA, unterstützt.

Die Nachfrage nach Lithium stieg während des Kalten Krieges mit der Produktion von Kernfusionswaffen dramatisch an. Sowohl Lithium-6 als auch Lithium-7 produzieren bei Bestrahlung mit Neutronen Tritium und sind somit für die Produktion von Tritium selbst sowie als eine Form von festem Fusionsbrennstoff, der in Wasserstoffbomben in Form von Lithiumdeuterid verwendet wird, nützlich. Die USA wurden zwischen Ende der 1950er und Mitte der 1980er Jahre zum Hauptproduzenten von Lithium. Am Ende lag der Lithiumvorrat bei etwa 42.000 Tonnen Lithiumhydroxid. Das gelagerte Lithium war zu 75 % in Lithium-6 abgebaut, was ausreichte, um das gemessene Atomgewicht von Lithium in vielen standardisierten Chemikalien und sogar das Atomgewicht von Lithium in einigen “natürlichen Quellen” von Lithium-Ionen zu beeinflussen, die durch Lithiumsalze “verunreinigt” worden waren, die aus Isotopentrennanlagen, die ihren Weg ins Grundwasser gefunden hatten, abgeführt worden waren.

Lithium wurde zur Senkung der Schmelztemperatur von Glas und zur Verbesserung des Schmelzverhaltens von Aluminiumoxid bei der Anwendung des Hall-Héroult-Verfahrens verwendet. Diese beiden Anwendungen dominierten den Markt bis Mitte der 1990er Jahre. Nach dem Ende des nuklearen Wettrüstens ging die Nachfrage nach Lithium zurück, und der Verkauf von Energievorräten der Abteilung auf dem freien Markt ließ die Preise weiter sinken. Mitte der 1990er Jahre begannen mehrere Unternehmen mit der Gewinnung von Lithium aus Sole, die sich als preiswertere Alternative zum Untertage- oder Tagebau erwies. Die meisten Bergwerke schlossen oder verlagerten ihren Schwerpunkt auf andere Materialien, da nur das Erz aus den Pegmatit-Zonen zu einem wettbewerbsfähigen Preis abgebaut werden konnte. Beispielsweise wurden die US-Minen in der Nähe von Kings Mountain, North Carolina, vor Beginn des 21. Jahrhunderts geschlossen.

Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien erhöhte die Nachfrage nach Lithium und wurde 2007 zur dominierenden Verwendung. Mit dem sprunghaften Anstieg der Lithiumnachfrage nach Batterien in den 2000er Jahren haben neue Unternehmen ihre Bemühungen um die Gewinnung von Sole erweitert, um die steigende Nachfrage zu befriedigen.

Es wurde argumentiert, dass Lithium eines der Hauptobjekte des geopolitischen Wettbewerbs in einer Welt sein wird, die von erneuerbarer Energie lebt und von Batterien abhängig ist, aber diese Perspektive wurde auch kritisiert, weil sie die Macht der wirtschaftlichen Anreize für eine erweiterte Produktion unterschätzt.

Natürliches Vorkommen

Vorkommen im Universum

Obwohl es im Urknall synthetisiert wurde, ist Lithium (zusammen mit Beryllium und Bor) im Universum deutlich weniger häufig anzutreffen als andere Elemente. Dies ist eine Folge der vergleichsweise niedrigen Sterntemperaturen, die für die Zerstörung von Lithium erforderlich sind, sowie des Fehlens üblicher Verfahren zu seiner Herstellung.

Nach der modernen kosmologischen Theorie war Lithium - in beiden stabilen Isotopen (Lithium-6 und Lithium-7) - eines der drei Elemente, die beim Urknall synthetisiert wurden. Obwohl die Menge des bei der Urknall-Nukleosynthese erzeugten Lithiums von der Anzahl der Photonen pro Baryon abhängt, lässt sich für akzeptierte Werte die Lithiumhäufigkeit berechnen, und es gibt eine “kosmologische Lithiumdiskrepanz” im Universum: Ältere Sterne scheinen weniger Lithium zu haben, als sie sollten, und einige jüngere Sterne haben viel mehr. Der Lithiummangel in älteren Sternen wird offenbar durch das “Einmischen” von Lithium in das Innere der Sterne verursacht, wo es zerstört wird, während Lithium in jüngeren Sternen produziert wird. Obwohl es sich durch die Kollision mit einem Proton bei Temperaturen über 2,4 Millionen Grad Celsius in zwei Heliumatome umwandelt (die meisten Sterne erreichen diese Temperatur in ihrem Inneren leicht), ist Lithium in Sternen späterer Generationen reichlicher vorhanden, als aktuelle Berechnungen voraussagen würden. Nova Centauri 2013 ist die erste, in der der Nachweis von Lithium gefunden wurde.

Lithium wird auch in braunen Zwerg-Substellarobjekten und bestimmten anomalen orangenen Sternen gefunden. Da Lithium in kühleren, weniger massereichen Braunen Zwergen vorkommt, aber in heißeren Roten Zwergsternen zerstört wird, kann sein Vorhandensein in den Spektren der Sterne im “Lithium-Test” zur Unterscheidung der beiden verwendet werden, da beide kleiner als die Sonne sind. Bestimmte orangefarbene Sterne können auch eine hohe Konzentration von Lithium enthalten. Diejenigen orangen Sterne, bei denen eine höhere Lithium-Konzentration als üblich festgestellt wurde (wie z.B. Centaurus X-4), umkreisen massive Objekte - Neutronensterne oder Schwarze Löcher - deren Schwerkraft offensichtlich schwereres Lithium an die Oberfläche eines Wasserstoff-Helium-Sterns zieht, wodurch mehr Lithium beobachtet werden kann.

Vorkommen auf der Erde

Obwohl Lithium auf der Erde weit verbreitet ist, kommt es aufgrund seiner hohen Reaktivität in der Natur nicht in elementarer Form vor. Der Gesamtlithiumgehalt des Meerwassers ist sehr groß und wird auf 230 Milliarden Tonnen geschätzt, wobei das Element in einer relativ konstanten Konzentration von 0,14 bis 0,25 Teilen pro Million (ppm), also 25 Mikromolaren, vorliegt; höhere Konzentrationen von annähernd 7 ppm findet man in der Nähe von hydrothermalen Schloten.

Die Schätzungen für den Gehalt der Erdkruste reichen von 20 bis 70 Gewichts-ppm. Wie der Name schon sagt, bildet Lithium einen kleinen Teil des Eruptivgesteins, wobei die höchsten Konzentrationen in Graniten zu finden sind. Granitpegmatite bieten auch die größte Fülle an lithiumhaltigen Mineralien, wobei Spodumen und Petalit die kommerziell rentabelsten Quellen sind. Ein weiteres bedeutendes Lithiummineral ist Lepidolith, das heute ein veralteter Name für eine Reihe von Polylithionit und Trilithionit ist. Eine neuere Quelle für Lithium ist Hectorit-Ton, dessen einzige aktive Entwicklung durch die Western Lithium Corporation in den Vereinigten Staaten erfolgt. Mit 20 mg Lithium pro kg Erdkruste ist Lithium das 25. am häufigsten vorkommende Element.

Laut dem Handbuch für Lithium und natürliches Kalzium ist “Lithium ein vergleichsweise seltenes Element, obwohl es in vielen Gesteinen und einigen Salzsolen vorkommt, jedoch immer in sehr geringen Konzentrationen. Es gibt eine ziemlich große Anzahl von sowohl Lithiummineral- als auch Solevorkommen, aber nur vergleichsweise wenige davon haben einen tatsächlichen oder potenziellen kommerziellen Wert. Viele davon sind sehr klein, andere sind zu niedrig”.

Der US Geological Survey schätzt, dass Chile im Jahr 2010 die weitaus größten Reserven (7,5 Millionen Tonnen) und die höchste Jahresproduktion (8.800 Tonnen) hatte. Eine der größten Reservengrundlagen für Lithium befindet sich im Salar de Uyuni-Gebiet in Bolivien, das 5,4 Millionen Tonnen besitzt. Weitere wichtige Lieferanten sind Australien, Argentinien und China. Ab 2015 betrachtete der Tschechische Geologische Dienst das gesamte Erzgebirge in der Tschechischen Republik als Lithium-Provinz. Fünf Lagerstätten sind registriert, eine in der Nähe von Cínovec gilt mit 160.000 Tonnen Lithium als potenziell wirtschaftliche Lagerstätte. Im Dezember 2019 meldete das finnische Bergbauunternehmen Keliber Oy, dass sein Lithiumvorkommen in Rapasaari auf nachgewiesene und wahrscheinliche Erzreserven von 5,280 Millionen Tonnen geschätzt wird.

Im Juni 2010 berichtete die New York Times, dass amerikanische Geologen Bodenuntersuchungen an trockenen Salzseen im Westen Afghanistans durchführten und glaubten, dass sich dort große Lithium-Vorkommen befinden. “Beamte des Pentagons sagten, dass ihre erste Analyse an einem Ort in der Provinz Ghazni das Potenzial für Lithiumvorkommen in der Größe Boliviens, das heute die größten bekannten Lithiumreserven der Welt besitzt, aufzeigte. Diese Schätzungen “basieren hauptsächlich auf alten Daten, die hauptsächlich von den Sowjets während ihrer Besetzung Afghanistans von 1979-1989 gesammelt wurden”. Stephen Peters, der Leiter des Afghanistan-Mineralien-Projekts des USGS, sagte, er wisse nicht, dass der USGS in den letzten zwei Jahren an neuen Vermessungen von Mineralien in Afghanistan beteiligt war. Wir wissen nichts von irgendwelchen Entdeckungen von Lithium”, sagte er.

Lithia (“Lithium-Sole”) steht in Verbindung mit Zinnabbaugebieten in Cornwall, England, und ein Evaluierungsprojekt aus 400 Meter tiefen Testbohrungen wird derzeit geprüft. Wenn die heißen Solequellen erfolgreich sind, werden sie auch geothermische Energie liefern, um den Lithiumgewinnungs- und Raffinationsprozess zu betreiben.

Produktion

Die Lithiumproduktion hat seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs stark zugenommen. Das Metall wird von anderen Elementen in Eruptivgestein getrennt. Das Metall wird durch Elektrolyse aus einer Mischung von geschmolzenem 55% Lithiumchlorid und 45% Kaliumchlorid bei etwa 450 °C hergestellt.

Ab 2015 befindet sich der größte Teil der weltweiten Lithiumproduktion in Südamerika, wo lithiumhaltige Sole aus unterirdischen Becken gewonnen und durch solare Verdampfung konzentriert wird. Die Standard-Extraktionstechnik ist die Verdampfung von Wasser aus der Sole. Jede Charge dauert 18 bis 24 Monate.

Im Jahr 1998 lag der Preis für Lithium bei etwa 95 USD/kg (oder 43 USD/lb).

Reserven

Die weltweit identifizierten Reserven in den Jahren 2017, 2018, 2019 und 2020 wurden vom US Geological Survey (USGS) auf 14 Millionen, 16 Millionen, 14 Millionen bzw. 17 Millionen Tonnen geschätzt. Eine genaue Schätzung der weltweiten Lithiumreserven ist schwierig. Ein Grund dafür ist, dass die meisten Lithium-Klassifizierungsschemata für feste Erzlagerstätten entwickelt wurden, während Sole eine Flüssigkeit ist, deren Behandlung mit demselben Klassifizierungsschema aufgrund unterschiedlicher Konzentrationen und Pumpeneffekte problematisch ist.

Die vom USGS ermittelten weltweiten Lithiumressourcen begannen 2017 aufgrund der anhaltenden Exploration zu steigen. Die identifizierten Ressourcen in den Jahren 2016, 2017, 2018, 2019 und 2020 betrugen 41, 47, 54, 62 bzw. 80 Millionen Tonnen.

Für 2013 wurden die weltweiten Lithiumreserven auf etwa 15 Millionen Tonnen geschätzt, während 65 Millionen Tonnen an bekannten Ressourcen angemessen sind. Insgesamt 75 % aller Vorkommen waren in der Regel in den zehn größten Vorkommen der Welt zu finden. Eine andere Studie stellte fest, dass 83% der geologischen Ressourcen von Lithium in sechs Sole-, zwei Pegmatit- und zwei Sedimentvorkommen liegen.

Die drei weltweit wichtigsten Lithium produzierenden Länder ab 2016, wie der US Geological Survey berichtet, sind Australien, Chile und Argentinien. Der Schnittpunkt von Chile, Bolivien und Argentinien bildet die Region, die als Lithium-Dreieck bekannt ist. Das Lithium-Dreieck ist für seine hochwertigen Salinen bekannt, darunter der Salar de Uyuni in Bolivien, der Salar de Atacama in Chile und der Salar de Arizaro in Argentinien. Man geht davon aus, dass das Lithium-Dreieck über 75% der vorhandenen bekannten Lithium-Reserven enthält. Die Vorkommen befinden sich in Südamerika in der gesamten Andenkette. Chile ist der führende Produzent, gefolgt von Argentinien. Beide Länder gewinnen Lithium aus Sole-Pools. Nach Angaben des USGS verfügt die bolivianische Uyuni-Wüste über 5,4 Millionen Tonnen Lithium. Die Hälfte der weltweit bekannten Reserven befinden sich in Bolivien entlang des zentralen Osthangs der Anden. Im Jahr 2009 verhandelte Bolivien mit japanischen, französischen und koreanischen Firmen über den Beginn der Förderung.

In den USA wird Lithium aus Sole-Pools in Nevada gewonnen. Eine Lagerstätte, die 2013 im Rock Springs Uplift in Wyoming entdeckt wurde, wird auf 228.000 Tonnen geschätzt. Weitere Vorkommen in der gleichen Formation wurden auf bis zu 18 Millionen Tonnen geschätzt.

Im Laufe der Jahre gingen die Meinungen über das potenzielle Wachstum auseinander. Eine Studie aus dem Jahr 2008 kam zu dem Schluss, dass “die realistisch erreichbare Lithiumkarbonatproduktion nur für einen kleinen Bruchteil des zukünftigen weltweiten Bedarfs der PHEV- und EV-Märkte ausreichen würde”, dass “die Nachfrage aus dem Sektor der tragbaren Elektronik einen Großteil der geplanten Produktionssteigerungen im nächsten Jahrzehnt absorbieren wird” und dass “die Massenproduktion von Lithiumkarbonat nicht umweltverträglich ist, sie wird irreparable ökologische Schäden an Ökosystemen verursachen, die geschützt werden sollten, und dass der LiIon-Antrieb nicht mit dem Begriff des ‘Green Car’ vereinbar ist”.

Laut einer Studie des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, aus dem Jahr 2011 sollte die damals geschätzte Reservebasis an Lithium kein limitierender Faktor für die Massenproduktion von Batterien für Elektrofahrzeuge sein, da mit diesen Reserven - etwa 10 kg Lithium pro Auto - schätzungsweise 1 Milliarde Batterien mit 40 kWh auf Li-Basis gebaut werden könnten. Eine weitere Studie der University of Michigan und der Ford Motor Company aus dem Jahr 2011 fand genügend Ressourcen, um die weltweite Nachfrage bis 2100 zu unterstützen, einschließlich des Lithiums, das für eine mögliche weit verbreitete Nutzung im Transportwesen benötigt wird. Die Studie schätzte die weltweiten Reserven auf 39 Millionen Tonnen und die Gesamtnachfrage nach Lithium während des 90-jährigen Zeitraums auf 12-20 Millionen Tonnen auf Jahresbasis, je nach den Szenarien bezüglich des Wirtschaftswachstums und der Recyclingraten.

Im Jahr 2014 gab The Financialist an, dass die Nachfrage nach Lithium um mehr als 12% pro Jahr zunimmt. Laut Credit Suisse übertraf diese Rate die prognostizierte Verfügbarkeit um 25%. Die Publikation verglich die Lithiumsituation von 2014 mit der des Öls, wobei “höhere Ölpreise Investitionen in teure Tiefsee- und Ölsandfördertechniken anregten”; d.h. der Lithiumpreis würde weiter steigen, bis teurere Produktionsmethoden, die die Gesamtproduktion steigern könnten, die Aufmerksamkeit der Investoren erhalten würden.

Am 16. Juli 2018 wurden in der Hartgesteinlagerstätte Falchani in der Region Puno, Peru, 2,5 Millionen Tonnen hochgradige Lithium- und 124 Millionen Pfund Uranressourcen gefunden.

Preisgestaltung

Nach der Finanzkrise von 2007 haben große Anbieter wie die Sociedad Química y Minera (SQM) die Preise für Lithiumkarbonat um 20% gesenkt. Im Jahr 2012 stiegen die Preise. Ein Artikel der Business Week 2012 skizzierte das Oligopol im Lithiumbereich: “SQM, das vom Milliardär Julio Ponce kontrolliert wird, ist das zweitgrößte, gefolgt von Rockwood, das von Henry Kravis’ KKR & Co. unterstützt wird, und der in Philadelphia ansässigen FMC”, wobei Talison als größter Produzent genannt wurde. Der weltweite Verbrauch könnte bis 2020 von etwa 150.000 Tonnen im Jahr 2012 auf 300.000 Tonnen pro Jahr ansteigen, um die Nachfrage nach Lithiumbatterien zu decken, die um etwa 25% pro Jahr gestiegen ist und damit den Gesamtzuwachs der Lithiumproduktion von 4% bis 5% übertrifft.

Extraktion

Lithium und seine Verbindungen wurden in der Vergangenheit aus hartem Gestein gewonnen, bevor in den 1990er Jahren Salze aus Wasser in Mineralquellen, Solebecken und Solevorkommen zur dominierenden Quelle wurden. Der Abbau von Lithiumerzen war teurer und wurde vom Markt verdrängt, aber bis 2018 hatte sich Hartgestein wieder zu einem bedeutenden Faktor entwickelt. Es wird erwartet, dass kobaltarme Kathoden für Lithiumbatterien Lithiumhydroxid statt Lithiumkarbonat als Ausgangsmaterial benötigen, und dieser Trend begünstigt Gestein als Quelle.

Lithium ist im Meerwasser vorhanden, aber kommerziell tragfähige Methoden zur Gewinnung müssen noch entwickelt werden.

Eine weitere potenzielle Lithiumquelle sind die Sickerwässer von geothermischen Bohrlöchern, die an die Oberfläche befördert werden. Die Rückgewinnung von Lithium wurde im Feld nachgewiesen; das Lithium wird durch einfache Filtration abgetrennt. Die Prozess- und Umweltkosten entsprechen in erster Linie denen der bereits in Betrieb befindlichen Bohrung; die Netto-Umweltauswirkungen können daher positiv sein.

Wirtschaftliche Nutzung

Keramik und Glas

Lithiumoxid wird häufig als Flussmittel für die Verarbeitung von Kieselerde verwendet, wobei es den Schmelzpunkt und die Viskosität des Materials senkt und zu Glasuren mit verbesserten physikalischen Eigenschaften, einschließlich niedriger Wärmeausdehnungskoeffizienten, führt. Dies ist weltweit eine der größten Anwendungen für Lithiumverbindungen. Glasuren, die Lithiumoxide enthalten, werden für Ofengeschirr verwendet. Lithiumcarbonat (Li2CO3) wird im Allgemeinen in dieser Anwendung verwendet, da es sich beim Erhitzen in das Oxid umwandelt. Elektrik und Elektronik

Ende des 20. Jahrhunderts wurde Lithium aufgrund seines hohen Elektrodenpotentials zu einem wichtigen Bestandteil von Batterieelektrolyten und Elektroden. Aufgrund seiner geringen Atommasse hat es ein hohes Ladungs- und Leistungsgewicht. Eine typische Lithium-Ionen-Batterie kann etwa 3 Volt pro Zelle erzeugen, verglichen mit 2,1 Volt für Blei-Säure und 1,5 Volt für Zink-Kohle. Lithium-Ionen-Batterien, die wiederaufladbar sind und eine hohe Energiedichte haben, unterscheiden sich von Lithium-Batterien, die Einweg-(Primär-)Batterien mit Lithium oder seinen Verbindungen als Anode sind. Andere wiederaufladbare Batterien, die Lithium verwenden, sind die Lithium-Ionen-Polymer-Batterie, die Lithium-Eisenphosphat-Batterie und die Nanodraht-Batterie.

Schmierfette

Die dritthäufigste Verwendung von Lithium ist in Fetten. Lithiumhydroxid ist eine starke Base und erzeugt beim Erhitzen mit einem Fett eine Seife aus Lithiumstearat. Lithiumseife hat die Fähigkeit, Öle zu verdicken, und wird zur Herstellung von Allzweckschmierfetten für hohe Temperaturen verwendet. Metallurgie

Lithium (z.B. als Lithiumkarbonat) wird als Zusatz zu Stranggusskokillen-Flussschlacken verwendet, wo es die Fließfähigkeit erhöht, eine Verwendung, die 5% des weltweiten Lithiumverbrauchs ausmacht (2011). Lithiumverbindungen werden auch als Zusatzstoffe (Flussmittel) zu Gießereisand für den Eisenguss verwendet, um die Äderung zu reduzieren.

Lithium (als Lithiumfluorid) wird als Zusatzstoff für Aluminiumschmelzanlagen (Hall-Héroult-Verfahren) verwendet, um die Schmelztemperatur zu senken und den elektrischen Widerstand zu erhöhen, eine Verwendung, die 3% der Produktion ausmacht (2011).

Wenn es als Flussmittel zum Schweißen oder Löten verwendet wird, fördert metallisches Lithium die Verschmelzung von Metallen während des Prozesses und verhindert die Bildung von Oxiden durch die Absorption von Verunreinigungen. Legierungen des Metalls mit Aluminium, Kadmium, Kupfer und Mangan werden zur Herstellung von Hochleistungs-Flugzeugteilen verwendet (siehe auch Lithium-Aluminium-Legierungen).

Silizium-Nanoschweißen

Lithium hat sich bei der Unterstützung der Perfektionierung von Silizium-Nanoschweißnähten in elektronischen Komponenten für elektrische Batterien und andere Geräte als wirksam erwiesen. Andere chemische und industrielle Anwendungen Die Verwendung von Lithium in Fackeln und Pyrotechnik ist auf seine rosenrote Flamme zurückzuführen. Pyrotechnik

Lithiumverbindungen werden als pyrotechnische Farbstoffe und Oxidationsmittel in roten Feuerwerkskörpern und Fackeln verwendet.

Luftreinigung

Lithiumchlorid und Lithiumbromid sind hygroskopisch und werden als Trockenmittel für Gasströme verwendet. Lithiumhydroxid und Lithiumperoxid sind die Salze, die am häufigsten in geschlossenen Räumen, z.B. an Bord von Raumfahrzeugen und U-Booten, zur Entfernung von Kohlendioxid und zur Luftreinigung verwendet werden. Lithiumhydroxid absorbiert Kohlendioxid aus der Luft, indem es Lithiumcarbonat bildet, und wird wegen seines geringen Gewichts anderen alkalischen Hydroxiden vorgezogen.

Lithiumperoxid (Li2O2) reagiert in Gegenwart von Feuchtigkeit nicht nur mit Kohlendioxid unter Bildung von Lithiumcarbonat, sondern gibt auch Sauerstoff ab. Die Reaktion verläuft wie folgt:

2 Li2O2 + 2 CO2 → 2 Li2CO3 + O2.

Einige der oben genannten Verbindungen sowie Lithiumperchlorat werden in Sauerstoffkerzen verwendet, die U-Boote mit Sauerstoff versorgen. Diese können auch geringe Mengen an Bor, Magnesium, Aluminium, Silizium, Titan, Mangan und Eisen enthalten.

Optik

Lithiumfluorid, künstlich als Kristall gezüchtet, ist klar und transparent und wird häufig in Spezialoptiken für IR-, UV- und VUV (Vakuum-UV)-Anwendungen verwendet. Es hat einen der niedrigsten Brechungsindizes und den weitesten Transmissionsbereich im tiefen UV der meisten gebräuchlichen Materialien. Fein verteiltes Lithiumfluorid-Pulver wurde für die Thermolumineszenz-Strahlungsdosimetrie (TLD) verwendet: Wenn eine Probe davon bestrahlt wird, sammelt sie Kristalldefekte an, die sich bei Erwärmung durch die Freisetzung von bläulichem Licht auflösen, dessen Intensität proportional zur absorbierten Dosis ist, so dass diese quantifiziert werden kann. Lithiumfluorid wird manchmal in den Fokallinsen von Teleskopen verwendet.

Die hohe Nichtlinearität von Lithium-Niobat macht es auch für Anwendungen in der nichtlinearen Optik nützlich. Es wird in großem Umfang in Telekommunikationsprodukten wie Mobiltelefonen und optischen Modulatoren für Komponenten wie resonante Kristalle verwendet. Lithiumanwendungen werden in mehr als 60% der Mobiltelefone verwendet.

Organische und Polymerchemie

Organolithiumverbindungen sind bei der Herstellung von Polymeren und Feinchemikalien weit verbreitet. In der Polymerindustrie, die der dominierende Verbraucher dieser Reagenzien ist, sind Alkyllithiumverbindungen Katalysatoren/Initiatoren. bei der anionischen Polymerisation von unfunktionalisierten Olefinen. Für die Herstellung von Feinchemikalien fungieren Organolithiumverbindungen als starke Basen und als Reagenzien für die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Organolithiumverbindungen werden aus Lithiummetall und Alkylhalogeniden hergestellt.

Viele andere Lithiumverbindungen werden als Reagenzien zur Herstellung organischer Verbindungen verwendet. Einige beliebte Verbindungen sind Lithium-Aluminiumhydrid (LiAlH4), Lithium-Triethylborhydrid, n-Butyllithium und tert.-Butyllithium, die als extrem starke Basen, Superbasen genannt, verwendet werden.

Militärische Anwendungen

Metallisches Lithium und seine komplexen Hydride, wie z.B. Li, werden als hochenergetische Zusätze zu Raketentreibstoffen verwendet. Lithium-Aluminium-Hydrid kann auch allein als fester Brennstoff verwendet werden.

Das Mark 50-Torpedo-Speicher-Chemikalienenergie-Antriebssystem (SCEPS) verwendet einen kleinen Tank mit Schwefelhexafluoridgas, das über einen Block aus festem Lithium gesprüht wird. Die Reaktion erzeugt Wärme, wodurch Dampf entsteht, der den Torpedo in einem geschlossenen Rankine-Kreislauf antreibt.

Lithiumhydrid, das Lithium-6 enthält, wird in thermonuklearen Waffen verwendet, wo es als Brennstoff für die Fusionsstufe der Bombe dient.

Nuklear

Lithium-6 wird als Ausgangsmaterial für die Tritiumproduktion und als Neutronenabsorber bei der Kernfusion geschätzt. Natürliches Lithium enthält etwa 7,5% Lithium-6, aus dem durch Isotopentrennung große Mengen Lithium-6 für die Verwendung in Kernwaffen hergestellt wurden. Lithium-7 gewann Interesse für die Verwendung in Kernreaktorkühlmitteln.

Lithium-Deuterid war der Fusionsbrennstoff der Wahl in frühen Versionen der Wasserstoffbombe. Bei der Bombardierung mit Neutronen erzeugen sowohl 6Li als auch 7Li Tritium - diese Reaktion, die bei den ersten Tests von Wasserstoffbomben noch nicht vollständig verstanden wurde, war für den unkontrollierbaren Ertrag des Atomtests von Castle Bravo verantwortlich. Tritium verschmilzt mit Deuterium in einer Fusionsreaktion, die relativ einfach zu erreichen ist. Obwohl Details geheim bleiben, spielt Lithium-6-Deuterid als Fusionsmaterial in modernen Kernwaffen offenbar immer noch eine Rolle.

Lithiumfluorid bildet, wenn es hochgradig mit dem Lithium-7-Isotop angereichert ist, den Grundbestandteil der Fluoridsalzmischung LiF-BeF2, die in Flüssigfluorid-Kernreaktoren verwendet wird. Lithiumfluorid ist chemisch außerordentlich stabil, und LiF-BeF2-Mischungen haben niedrige Schmelzpunkte. Darüber hinaus gehören 7Li, Be und F zu den wenigen Nukliden, deren thermischer Neutroneneinfangquerschnitt niedrig genug ist, um die Spaltreaktionen innerhalb eines Kernspaltungsreaktors nicht zu vergiften.

In konzeptuellen (hypothetischen) Kernfusionskraftwerken wird Lithium zur Herstellung von Tritium in magnetisch geschlossenen Reaktoren mit Deuterium und Tritium als Brennstoff verwendet. Natürlich vorkommendes Tritium ist extrem selten und muss synthetisch hergestellt werden, indem das reagierende Plasma mit einer “Decke”, die Lithium enthält, umgeben wird, wobei die Neutronen aus der Deuterium-Tritium-Reaktion im Plasma das Lithium spalten, um mehr Tritium zu erzeugen:

6Li + n → 4He + 3H.

Lithium wird auch als Quelle für Alphateilchen oder Heliumkerne verwendet. Wenn 7Li mit beschleunigten Protonen bombardiert wird, entsteht 8Be, das durch Spaltung zwei Alphateilchen bildet. Diese Leistung, die damals “Atomspaltung” genannt wurde, war die erste vollständig vom Menschen verursachte Kernreaktion. Sie wurde 1932 von Cockroft und Walton durchgeführt.

Im Jahr 2013 sagte das US Government Accountability Office, dass ein Mangel an Lithium-7, der für den Betrieb von 65 von 100 amerikanischen Kernreaktoren kritisch ist, “ihre Fähigkeit, weiterhin Elektrizität zu liefern, in gewisser Weise gefährdet”. Castle Bravo verwendete erstmals Lithium-7 im Shrimp, seinem ersten Gerät, das nur 10 Tonnen wog und eine massive nukleare Verseuchung der Atmosphäre des Bikini-Atolls verursachte. Dies erklärt vielleicht den Niedergang der nuklearen Infrastruktur in den USA. Die zur Trennung von Lithium-6 und Lithium-7 benötigte Ausrüstung ist zumeist ein Überbleibsel aus dem Kalten Krieg. Die USA schalteten die meisten dieser Maschinen 1963 ab, als sie einen enormen Überschuss an abgetrenntem Lithium hatten, das hauptsächlich im zwanzigsten Jahrhundert verbraucht wurde. Im Bericht hieß es, es würde fünf Jahre und 10 bis 12 Millionen Dollar dauern, um die Fähigkeit zur Trennung von Lithium-6 und Lithium-7 wieder herzustellen.

Reaktoren, die Lithium-7 verwenden, erhitzen Wasser unter hohem Druck und übertragen die Wärme über korrosionsanfällige Wärmetauscher. Die Reaktoren verwenden Lithium, um den korrosiven Auswirkungen der Borsäure entgegenzuwirken, die dem Wasser zur Absorption überschüssiger Neutronen zugesetzt wird.

Medizin

Lithium ist nützlich bei der Behandlung bipolarer Störungen. Lithiumsalze können auch bei verwandten Diagnosen, wie z.B. schizoaffektive Störungen und zyklische Major Depressionen, hilfreich sein. Der aktive Teil dieser Salze ist das Lithium-Ion Li+. Sie können das Risiko der Entwicklung einer Ebstein-Herzanomalie bei Säuglingen erhöhen, die von Frauen geboren werden, die im ersten Trimester der Schwangerschaft Lithium einnehmen.

Lithium wurde auch als mögliche Behandlung von Cluster-Kopfschmerzen erforscht.

Biologie

Lithium wird in zahlreichen Pflanzen, Plankton und wirbellosen Tieren in Spuren in Konzentrationen von 69 bis 5.760 Teilen pro Milliarde (ppb) gefunden. Bei Wirbeltieren ist die Konzentration etwas geringer, und fast alle Wirbeltiergewebe und Körperflüssigkeiten enthalten Lithium in einer Konzentration von 21 bis 763 ppb. Meeresorganismen neigen dazu, Lithium stärker zu bioakkumulieren als Landorganismen. Ob Lithium in einem dieser Organismen eine physiologische Rolle spielt, ist nicht bekannt.

Primäre Nahrungsquellen für Lithium sind Getreide und Gemüse, und in einigen Gebieten enthält auch das Trinkwasser erhebliche Mengen. Die menschliche Aufnahme variiert je nach Standort und Ernährung.

Lithium wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts in menschlichen Organen und fötalen Geweben nachgewiesen. Beim Menschen gibt es keine definierten Lithiummangelkrankheiten, aber eine geringe Lithiumzufuhr aus der Wasserversorgung wurde mit einer erhöhten Rate von Selbstmorden, Morden und Verhaftungen wegen Drogenkonsums und anderen Straftaten in Verbindung gebracht. Die biochemischen Wirkungsmechanismen von Lithium scheinen multifaktoriell zu sein und sind mit den Funktionen verschiedener Enzyme, Hormone und Vitamine sowie mit Wachstums- und Transformationsfaktoren verbunden.

Sicherheit

Lithium ist korrosiv und erfordert eine besondere Handhabung, um Hautkontakt zu vermeiden. Das Einatmen von Lithiumstaub oder Lithiumverbindungen (die oft alkalisch sind) reizt zunächst Nase und Rachen, während eine höhere Exposition eine Flüssigkeitsansammlung in der Lunge verursachen kann, die zu einem Lungenödem führt. Das Metall selbst ist eine Gefahr bei der Handhabung, da bei Kontakt mit Feuchtigkeit das ätzende Lithiumhydroxid entsteht. Lithium wird in nicht reaktiven Verbindungen wie Naphtha sicher gelagert. Verordnung

Einige Gerichtsbarkeiten beschränken den Verkauf von Lithiumbatterien, die für normale Verbraucher die am leichtesten verfügbare Quelle für Lithium sind. Lithium kann zur Reduktion von Pseudoephedrin und Ephedrin zu Methamphetamin nach der Birch-Reduktionsmethode verwendet werden, bei der Lösungen von Alkalimetallen verwendet werden, die in wasserfreiem Ammoniak gelöst sind.

Die Beförderung und der Versand einiger Arten von Lithiumbatterien kann an Bord bestimmter Transportmittel (insbesondere von Flugzeugen) verboten werden, da die meisten Arten von Lithiumbatterien sich bei einem Kurzschluss sehr schnell vollständig entladen können, was zu einer Überhitzung und möglichen Explosion in einem als thermisches Durchbrennen bezeichneten Prozess führt. Die meisten Verbraucher-Lithiumbatterien haben einen eingebauten thermischen Überlastschutz, um diese Art von Vorfällen zu verhindern, oder sind anderweitig so ausgelegt, dass sie Kurzschlussströme begrenzen. Interne Kurzschlüsse aufgrund von Herstellungsfehlern oder physischen Schäden können zu einem spontanen thermischen Ausreißen führen.