Lithium

Lithium (uit het Grieks: λίθος, geromaniseerd: lithos, lit. ‘steen’) is een chemisch element met het symbool Li en atoomnummer 3. Het is een zacht, zilverwit alkalimetaal. Onder standaardomstandigheden is het het lichtste metaal en het lichtste vaste element. Zoals alle alkalimetalen is lithium zeer reactief en ontvlambaar en moet het worden opgeslagen in minerale olie. Bij het snijden vertoont het een metalen glans, maar vochtige lucht corrodeert het snel tot een doffe zilvergrijze, dan zwarte aanslag. Het komt nooit vrij in de natuur voor, maar alleen in (meestal ionische) verbindingen, zoals pegmatitische mineralen, die ooit de belangrijkste bron van lithium waren. Door zijn oplosbaarheid als ion is het aanwezig in oceaanwater en wordt het meestal verkregen uit pekel. Lithiummetaal wordt elektrolytisch geïsoleerd uit een mengsel van lithiumchloride en kaliumchloride.

De kern van het lithium-atoom grenst aan instabiliteit, omdat de twee stabiele lithium-isotopen in de natuur tot de laagste bindingsenergieën per kern van alle stabiele nucliden behoren. Vanwege de relatieve nucleaire instabiliteit komt lithium minder vaak voor in het zonnestelsel dan 25 van de eerste 32 chemische elementen, ook al zijn de kernen zeer licht: het is een uitzondering op de trend dat zwaardere kernen minder vaak voorkomen. Om verwante redenen heeft lithium belangrijke toepassingen in de kernfysica. De transmutatie van lithium-atomen naar helium in 1932 was de eerste volledig door de mens veroorzaakte kernreactie, en lithium deuteride dient als fusiebrandstof in geënsceneerde thermonucleaire wapens.

Lithium en zijn verbindingen hebben verschillende industriële toepassingen, waaronder hittebestendig glas en keramiek, lithium-vet smeermiddelen, fluxadditieven voor de productie van ijzer, staal en aluminium, lithium-batterijen en lithium-ionbatterijen. Deze toepassingen verbruiken meer dan driekwart van de lithiumproductie.

Lithium is in biologische systemen aanwezig in spoorhoeveelheden; de functies ervan zijn onzeker. Lithiumzouten hebben hun nut bewezen als een stemmingsstabiliserend middel bij de behandeling van bipolaire stoornissen bij de mens.

Geschiedenis

Petalite (LiAlSi4O10) werd in 1800 ontdekt door de Braziliaanse chemicus en staatsman José Bonifácio de Andrada e Silva in een mijn op het eiland Utö, Zweden. Het was echter pas in 1817 dat Johan August Arfwedson, toen werkzaam in het laboratorium van de chemicus Jöns Jakob Berzelius, de aanwezigheid van een nieuw element ontdekte tijdens het analyseren van petaliet erts. Dit element vormde verbindingen die vergelijkbaar zijn met die van natrium en kalium, hoewel zijn carbonaat en hydroxide minder goed oplosbaar waren in water en minder alkalisch. Berzelius gaf het alkalische materiaal de naam “lithion/lithina”, van het Griekse woord λιθoς (getranslitereerd als lithos, wat “steen” betekent), om zijn ontdekking in een vast mineraal weer te geven, in tegenstelling tot kalium, dat in plantaardige as was ontdekt, en natrium, dat gedeeltelijk bekend stond om zijn grote hoeveelheid in het dierenbloed. Hij noemde het metaal in het materiaal “lithium”.

Arfwedson toonde later aan dat ditzelfde element aanwezig was in de mineralen spodumeen en lepidoliet. In 1818 was Christian Gmelin de eerste die opmerkte dat lithiumzouten een felrode kleur geven aan de vlammen. Echter, zowel Arfwedson als Gmelin probeerde en slaagde er niet in om het zuivere element te isoleren van zijn zouten. Het werd niet geïsoleerd tot 1821, toen William Thomas Brande het verkreeg door elektrolyse van lithiumoxide, een proces dat eerder was gebruikt door de chemicus Sir Humphry Davy om de alkalimetalen kalium en natrium te isoleren. Brande beschreef ook enkele zuivere zouten van lithium, zoals het chloride, en, naar schatting dat lithia (lithiumoxide) ongeveer 55% metaal bevatte, schatte het atoomgewicht van lithium op ongeveer 9,8 g/mol (moderne waarde ~ 6,94 g/mol). In 1855 werden grotere hoeveelheden lithium geproduceerd door de elektrolyse van lithiumchloride door Robert Bunsen en Augustus Matthiessen. De ontdekking van deze procedure leidde tot de commerciële productie van lithium in 1923 door het Duitse bedrijf Metallgesellschaft AG, dat een elektrolyse uitvoerde van een vloeibaar mengsel van lithiumchloride en kaliumchloride.

De productie en het gebruik van lithium onderging verschillende drastische veranderingen in de geschiedenis. De eerste grote toepassing van lithium was in hoge-temperatuur-lithium vetten voor vliegtuigmotoren en soortgelijke toepassingen in de Tweede Wereldoorlog en kort daarna. Dit gebruik werd ondersteund door het feit dat zepen op basis van lithium een hoger smeltpunt hebben dan andere alkalische zepen en minder corrosief zijn dan zepen op basis van calcium. De kleine vraag naar lithiumzepen en smeervetten werd ondersteund door verschillende kleine mijnbouwoperaties, meestal in de VS.

De vraag naar lithium nam dramatisch toe tijdens de Koude Oorlog met de productie van kernfusiewapens. Zowel lithium-6 als lithium-7 produceren tritium bij bestraling door neutronen, en zijn dus nuttig voor de productie van tritium op zich, evenals een vorm van vaste fusiebrandstof die gebruikt wordt in waterstofbommen in de vorm van lithium deuteride. De VS werd de belangrijkste producent van lithium tussen het einde van de jaren vijftig en het midden van de jaren tachtig. Uiteindelijk bedroeg de voorraad lithium ongeveer 42.000 ton lithiumhydroxide. De voorraad lithium was met 75% uitgeput in lithium-6, wat voldoende was om het gemeten atoomgewicht van lithium in veel gestandaardiseerde chemicaliën te beïnvloeden, en zelfs het atoomgewicht van lithium in sommige “natuurlijke bronnen” van lithium-ionen die “verontreinigd” waren door lithiumzouten die uit isotopenscheidingsinstallaties waren geloosd, die hun weg naar het grondwater hadden gevonden.

Lithium werd gebruikt om de smelttemperatuur van glas te verlagen en om het smeltgedrag van aluminiumoxide te verbeteren bij het gebruik van het Hall-Héroult proces. Deze twee toepassingen domineerden de markt tot het midden van de jaren negentig. Na het einde van de kernwapenwedloop nam de vraag naar lithium af en de verkoop van energievoorraden op de open markt zorgde voor een verdere daling van de prijzen. In het midden van de jaren negentig begonnen verschillende bedrijven met het winnen van lithium uit pekel, wat een minder dure optie bleek te zijn dan ondergronds of in de open lucht ontginnen. De meeste mijnen sloten of verplaatsten hun focus naar andere materialen omdat alleen het erts van de pegmatieten in zones kon worden ontgonnen voor een concurrerende prijs. De Amerikaanse mijnen bij Kings Mountain, North Carolina bijvoorbeeld, werden voor het begin van de 21e eeuw gesloten.

De ontwikkeling van lithium-ionbatterijen deed de vraag naar lithium toenemen en werd in 2007 het dominante gebruik. Met de toename van de vraag naar lithium in batterijen in de jaren 2000 hebben nieuwe bedrijven hun inspanningen voor de pekelwinning uitgebreid om aan de stijgende vraag te voldoen.

Er is betoogd dat lithium een van de belangrijkste objecten van geopolitieke concurrentie zal zijn in een wereld die draait op hernieuwbare energie en afhankelijk is van batterijen, maar dit perspectief is ook bekritiseerd omdat het de kracht van de economische stimulansen voor de uitbreiding van de productie onderschat.

Natuurlijk voorkomen

Voorkomen in het universum

Hoewel het werd gesynthetiseerd in de Big Bang, is lithium (samen met beryllium en boor) duidelijk minder overvloedig in het universum dan andere elementen. Dit is een gevolg van de relatief lage stellaire temperaturen die nodig zijn om lithium te vernietigen, samen met een gebrek aan gemeenschappelijke processen om het te produceren.

Volgens de moderne kosmologische theorie was lithium in beide stabiele isotopen (lithium-6 en lithium-7) een van de drie elementen die in de Big Bang werden gesynthetiseerd. Hoewel de hoeveelheid lithium die in de Big Bang nucleosynthese wordt gegenereerd afhankelijk is van het aantal fotonen per baryon, kan voor geaccepteerde waarden de lithium overvloed worden berekend, en er is een “kosmologische lithium discrepantie” in het heelal: oudere sterren lijken minder lithium te hebben dan ze zouden moeten hebben, en sommige jongere sterren hebben veel meer. Het gebrek aan lithium in oudere sterren wordt blijkbaar veroorzaakt door het “mengen” van lithium in het binnenste van sterren, waar het wordt vernietigd, terwijl lithium in jongere sterren wordt geproduceerd. Hoewel het in twee helium-atomen overgaat door een botsing met een proton bij temperaturen boven 2,4 miljoen graden Celsius (de meeste sterren bereiken deze temperatuur gemakkelijk in hun binnenste), is lithium overvloediger dan de huidige berekeningen zouden voorspellen in sterren van de latere generatie. Nova Centauri 2013 is de eerste waarin bewijs van lithium is gevonden.

Lithium wordt ook gevonden in bruine dwerg-substellaire objecten en bepaalde afwijkende oranje sterren. Omdat lithium aanwezig is in koelere, minder massieve bruine dwergen, maar vernietigd wordt in hetere rode dwergsterren, kan de aanwezigheid ervan in de spectra van de sterren gebruikt worden in de “lithiumtest” om de twee van elkaar te onderscheiden, omdat ze allebei kleiner zijn dan de Zon. Bepaalde oranje sterren kunnen ook een hoge concentratie lithium bevatten. Die oranje sterren die een hogere concentratie lithium blijken te hebben dan normaal (zoals Centaurus X-4) draaien in een baan om massieve objecten -neutronensterren of zwarte gaten- waarvan de zwaartekracht blijkbaar zwaarder lithium naar het oppervlak van een waterstofheliumster trekt, waardoor er meer lithium te zien is.

Voorkomen op aarde

Hoewel lithium op aarde wijd verspreid is, komt het van nature niet in elementaire vorm voor vanwege de hoge reactiviteit. Het totale lithiumgehalte van zeewater is zeer groot en wordt geschat op 230 miljard ton, waarbij het element bestaat in een relatief constante concentratie van 0,14 tot 0,25 deeltjes per miljoen (ppm), oftewel 25 micromolair; hogere concentraties die in de buurt van hydrothermische openingen komen, zijn te vinden in de buurt van 7 ppm.

Schattingen voor het aardkorstgehalte variëren van 20 tot 70 ppm in gewicht. Zoals de naam al aangeeft, vormt lithium een klein deel van het stollingsgesteente, met de grootste concentraties in graniet. Granietpegmatieten zorgen ook voor de grootste overvloed aan lithiumhoudende mineralen, waarbij spodumeen en petaliet de meest commercieel levensvatbare bronnen zijn. Een ander belangrijk mineraal van lithium is lepidoliet, dat nu een verouderde naam is voor een serie gevormd door polylithioniet en trilithioniet. Een nieuwere bron voor lithium is hectorietklei, waarvan de enige actieve ontwikkeling via de Western Lithium Corporation in de Verenigde Staten plaatsvindt. Met 20 mg lithium per kg aardkorst is lithium het 25e element dat het meest voorkomt.

Volgens het Handboek van Lithium en Natuurlijke Calcium is “Lithium een relatief zeldzaam element, hoewel het in veel rotsen en sommige pekelsoorten voorkomt, maar altijd in zeer lage concentraties. Er zijn een vrij groot aantal van zowel lithium mineraal en pekel afzettingen, maar slechts relatief weinig van hen zijn van werkelijke of potentiële commerciële waarde. Vele zijn zeer klein, andere zijn te laag in kwaliteit.”

De US Geological Survey schat dat Chili in 2010 veruit de grootste reserves had (7,5 miljoen ton) en de hoogste jaarlijkse productie (8.800 ton). Een van de grootste reservebases van lithium is op het Salar de Uyuni gebied van Bolivia, dat 5,4 miljoen ton heeft. Andere belangrijke leveranciers zijn Australië, Argentinië en China. Vanaf 2015 heeft het Tsjechisch Geologisch Onderzoek het gehele Ertsgebergte in de Tsjechische Republiek als lithiumprovincie beschouwd. Er zijn vijf afzettingen geregistreerd, waarvan één in de buurt van Cínovec, met 160 000 ton lithium, als een potentieel economische afzetting wordt beschouwd. In december 2019 meldde het Finse mijnbouwbedrijf Keliber Oy dat zijn lithiumdepot in Rapasaari een bewezen en waarschijnlijke ertsreserve van 5,280 miljoen ton had.

In Juni 2010, rapporteerde The New York Times dat de Amerikaanse geologen grondonderzoeken op droge zoute meren in westelijk Afghanistan uitvoerden die geloven dat de grote stortingen van lithium daar worden gevestigd. “De ,,ambtenaren van het Pentagoon zeiden dat hun aanvankelijke analyse bij één plaats in Provincie Ghazni het potentieel voor lithiumstortingen zo groot zoals die van BoliviÔ toonde, dat nu de grootste bekende het lithiumreserves van de wereld. Deze ramingen zijn ,,hoofdzakelijk gebaseerd op oude gegevens, die hoofdzakelijk door de Sovjets tijdens hun beroep van Afghanistan vanaf 1979-1989” werden verzameld. Stephen Peters, het hoofd van het project van de Mineralen van Afghanistan van USGS, zei dat hij zich niet bewust was van de betrokkenheid van USGS bij om het even welk nieuw onderzoek voor mineralen in Afghanistan in het verleden de twee jaar. Wij zijn ons niet bewust van enige ontdekkingen van lithium,” zei hij.

Lithia (“lithium pekel”) wordt geassocieerd met tin mijnbouwgebieden in Cornwall, Engeland en een evaluatieproject van 400 meter diepe testboringen wordt overwogen. Als succesvol zal de hete pekel ook geothermische energie verstrekken om de lithiumwinning en het raffinageproces aan te drijven.

Productie

De lithiumproductie is sinds het einde van de Tweede Wereldoorlog sterk toegenomen. Het metaal wordt gescheiden van andere elementen in stollingsmineralen. Het metaal wordt geproduceerd door middel van elektrolyse uit een mengsel van gesmolten 55% lithiumchloride en 45% kaliumchloride bij ongeveer 450 °C.

Vanaf 2015 wordt het grootste deel van de wereldproductie van lithium in Zuid-Amerika geproduceerd, waar lithiumhoudende pekel uit ondergrondse bassins wordt gewonnen en geconcentreerd door verdamping door de zon. De standaard extractietechniek is het verdampen van water uit pekel. Elke partij duurt 18 tot 24 maanden.

In 1998 bedroeg de prijs van lithium ongeveer 95 USD/kg (of US$43/lb).

Reserves

De wereldwijd geïdentificeerde reserves in 2017, 2018, 2019 en 2020 werden door de US Geological Survey (USGS) geschat op respectievelijk 14 miljoen, 16 miljoen, 14 miljoen en 17 miljoen ton. Een nauwkeurige schatting van de wereldwijde lithiumreserves is moeilijk. Een van de redenen hiervoor is dat de meeste lithium classificatieschema’s zijn ontwikkeld voor vaste ertsafzettingen, terwijl pekel een vloeistof is die problematisch te behandelen is met hetzelfde classificatieschema als gevolg van verschillende concentraties en pompeffecten.

De wereldwijde lithiumvoorraden die door USGS zijn geïdentificeerd, zijn in 2017 toegenomen als gevolg van de voortgezette exploratie. De geïdentificeerde bronnen in 2016, 2017, 2018, 2019 en 2020 waren respectievelijk 41, 47, 54, 62 en 80 miljoen ton.

In 2013 zou de wereld naar schatting ongeveer 15 miljoen ton aan lithiumreserves bevatten, terwijl 65 miljoen ton aan bekende bronnen redelijk was. In totaal was 75% van alles te vinden in de tien grootste afzettingen ter wereld. Een andere studie stelde vast dat 83% van de geologische bronnen van lithium zich bevinden in zes pekel-, twee pegmatiet- en twee sedimentafzettingen.

De top 3 van lithiumproducerende landen in de wereld vanaf 2016, zoals gerapporteerd door de US Geological Survey, zijn Australië, Chili en Argentinië. De kruising van Chili, Bolivia en Argentinië vormt het gebied dat bekend staat als de Lithium Driehoek. De Lithium Driehoek staat bekend om zijn hoge kwaliteit zoutpannen met inbegrip van de Salar de Uyuni van Bolivia, de Salar de Atacama van Chili en de Salar de Arizaro van Argentinië. De Lithium Driehoek wordt verondersteld meer dan 75% van de bestaande bekende lithiumreserves te bevatten. Er worden deposito’s gevonden in Zuid-Amerika in de hele bergketen van het Andesgebergte. Chili is de belangrijkste producent, gevolgd door Argentinië. Beide landen halen lithium uit pekelbassins. Volgens USGS, heeft de Woestijn Uyuni van BoliviÔ 5.4 miljoen ton lithium. De helft van de bekende reserves van de wereld bevinden zich in Bolivia langs de centrale oostelijke helling van het Andesgebergte. In 2009, onderhandelde Bolivia met Japanse, Franse en Koreaanse firma’s om met de winning te beginnen.

In de V.S., wordt het lithium teruggekregen van pekelpoelen in Nevada. Een storting die in 2013 in de Lentes van de Rots van Wyoming wordt ontdekt wordt geschat om 228.000 ton te bevatten. Extra afzettingen in dezelfde formatie werden geschat op maar liefst 18 miljoen ton.

In de loop der jaren zijn de meningen over de potentiële groei verdeeld. Een studie uit 2008 concludeerde dat “realistisch haalbare lithiumcarbonaatproductie voldoende zou zijn voor slechts een kleine fractie van de toekomstige PHEV- en EV-wereldmarktbehoeften”, dat “de vraag van de sector van de draagbare elektronica een groot deel van de geplande productieverhogingen in het komende decennium zal absorberen”, en dat “de massaproductie van lithiumcarbonaat niet milieuvriendelijk is, het zal onherstelbare ecologische schade veroorzaken aan ecosystemen die moeten worden beschermd en dat de aandrijving van LiIon onverenigbaar is met de notie van de “Groene Auto”".

Volgens een latere studie van 2011 door Lawrence Berkeley National Laboratory en de University of California, Berkeley, zou de toenmalige geschatte reservebasis van lithium geen beperkende factor moeten zijn voor de grootschalige productie van batterijen voor elektrische voertuigen, omdat met die reserves naar schatting 1 miljard 40 kWh Li-batterijen zouden kunnen worden gebouwd - ongeveer 10 kg lithium per auto. Een andere studie van 2011 aan de Universiteit van Michigan en Ford Motor Company vond genoeg middelen om de wereldwijde vraag tot 2100 te ondersteunen, met inbegrip van het lithium dat nodig is voor het potentiële wijdverbreide transportgebruik. De studie schatte de globale reserves op 39 miljoen ton, en de totale vraag naar lithium tijdens de periode van 90 jaar op jaarbasis op 12-20 miljoen ton, afhankelijk van de scenario’s met betrekking tot de economische groei en de recyclagepercentages.

In 2014 verklaarde The Financialist dat de vraag naar lithium met meer dan 12% per jaar groeide. Volgens Credit Suisse overtrof dit percentage de verwachte beschikbaarheid met 25%. De publicatie vergeleek de situatie van lithium in 2014 met die van olie, waarbij “hogere olieprijzen investeringen in dure diepwater- en oliezandproductietechnieken” in de hand werkten; dat wil zeggen dat de prijs van lithium zou blijven stijgen totdat duurdere productiemethoden die de totale productie zouden kunnen stimuleren, de aandacht van investeerders zouden krijgen.

Op 16 juli 2018 werden 2,5 miljoen ton hoogwaardige lithiumvoorraden en 124 miljoen pond aan uraniumvoorraden gevonden in de harde rotsafzetting van Falchani in het gebied Puno, Peru.

Prijsstelling

Na de financiële crisis van 2007 hebben grote leveranciers, zoals Sociedad Química y Minera (SQM), de prijzen van lithiumcarbonaat met 20% verlaagd. De prijzen stegen in 2012. Een artikel van de Business Week 2012 schetste het oligopolie in de lithiumruimte: “SQM, gecontroleerd door miljardair Julio Ponce, is de op één na grootste, gevolgd door Rockwood, dat wordt gesteund door Henry Kravis’s KKR & Co., en het in Philadelphia gevestigde FMC”, met Talison als de grootste producent. De globale consumptie kan tegen 2020 aan 300.000 metrische tonnen per jaar springen van ongeveer 150.000 ton in 2012, om de vraag naar lithiumbatterijen aan te passen die bij ongeveer 25% per jaar is gegroeid, die de 4% tot 5% algemene aanwinst in lithiumproductie overtreft.

Extractie

Lithium en zijn verbindingen werden historisch gezien gewonnen uit hard gesteente voordat zouten werden gewonnen uit water in minerale bronnen, pekelbassins, en pekelafzettingen werden de dominante bron in de jaren negentig van de vorige eeuw. De winning van lithiumertsen was duurder en was uit de markt geprijsd, maar tegen 2018 was hard gesteente weer een belangrijke bijdrage gaan leveren. Verwacht wordt dat kathoden met een laag kobaltgehalte voor lithiumbatterijen eerder lithiumhydroxide dan lithiumcarbonaat als grondstof nodig zullen hebben, en deze trend begunstigt gesteente als bron.

Lithium is aanwezig in zeewater, maar commercieel haalbare winningsmethoden moeten nog worden ontwikkeld.

Een andere potentiële bron van lithium is het percolatiewater van geothermische putten, die naar de oppervlakte worden getransporteerd. Het terugwinnen van lithium is in het veld aangetoond; het lithium wordt gescheiden door eenvoudige filtratie. De proces- en milieukosten zijn in de eerste plaats die van de reeds functionerende put; de netto milieueffecten kunnen dus positief zijn.

Economisch gebruik

Keramiek en glas

Lithiumoxide wordt op grote schaal gebruikt als een flux voor de verwerking van silica, waardoor het smeltpunt en de viscositeit van het materiaal worden gereduceerd en er glazuren ontstaan met verbeterde fysische eigenschappen, waaronder lage thermische uitzettingscoëfficiënten. Wereldwijd is dit een van de grootste toepassingen voor lithiumverbindingen. Glazuren met lithiumoxiden worden gebruikt voor ovengerei. Lithiumcarbonaat (Li2CO3) wordt in deze toepassing over het algemeen gebruikt omdat het bij verhitting wordt omgezet in het oxyde. Elektrisch en elektronisch

Eind 20e eeuw werd lithium een belangrijk onderdeel van de batterijelektrolyten en -elektroden, vanwege het hoge elektrodepotentiaal. Door zijn lage atoommassa heeft het een hoge laad- en vermogen/gewichtsverhouding. Een typische lithium-ionbatterij kan ongeveer 3 volt per cel genereren, vergeleken met 2,1 volt voor loodzuur en 1,5 volt voor zinkkoolstof. Lithium-ionbatterijen, die oplaadbaar zijn en een hoge energiedichtheid hebben, verschillen van lithium-batterijen, die wegwerpbatterijen zijn met lithium of zijn verbindingen als anode. Andere oplaadbare accu’s die gebruik maken van lithium zijn de lithium-ion-polymeerbatterij, de lithium-ijzerfosfaatbatterij en de nanodraadbatterij.

Smeervetten

Het derde meest voorkomende gebruik van lithium is in vetten. Lithiumhydroxide is een sterke basis en produceert bij verhitting met vet een zeep van lithiumstearaat. Lithiumzeep heeft het vermogen om oliën te verdikken en wordt gebruikt voor de productie van universele smeervetten met een hoge temperatuur. Metallurgie

Lithium (bijvoorbeeld als lithiumcarbonaat) wordt gebruikt als additief voor continu gietvormen waar het de vloeibaarheid verhoogt, een gebruik dat goed is voor 5% van het wereldwijde lithiumgebruik (2011). Lithiumverbindingen worden ook gebruikt als additieven (fluxen) voor gietzand voor ijzergieten om aderverkalking te verminderen.

Lithium (als lithiumfluoride) wordt gebruikt als additief voor aluminiumsmelterijen (Hall-Héroult proces), waardoor de smelttemperatuur wordt verlaagd en de elektrische weerstand wordt verhoogd, een gebruik dat goed is voor 3% van de productie (2011).

Bij gebruik als las- of soldeerstroom bevordert het metallisch lithium het smelten van metalen tijdens het proces en elimineert het de vorming van oxiden door het absorberen van onzuiverheden. Legeringen van het metaal met aluminium, cadmium, koper en mangaan worden gebruikt om hoogwaardige vliegtuigonderdelen te maken (zie ook Lithium-aluminiumlegeringen).

Silicium nanolassen

Lithium is effectief gevonden in het ondersteunen van de perfectie van silicium nano-welds in elektronische componenten voor elektrische batterijen en andere apparaten. Andere chemische en industriële toepassingen Het gebruik van lithium in fakkels en pyrotechniek is te danken aan de rozerode vlam. Pyrotechniek

Lithiumverbindingen worden gebruikt als pyrotechnische kleurstoffen en oxidatiemiddelen in rood vuurwerk en fakkels.

Luchtzuivering

Lithiumchloride en lithiumbromide zijn hygroscopisch en worden gebruikt als droogmiddel voor gasstromen. Lithiumhydroxide en lithiumperoxide zijn de zouten die het meest worden gebruikt in besloten ruimtes, zoals aan boord van ruimtevaartuigen en onderzeeërs, voor de verwijdering van kooldioxide en luchtzuivering. Lithiumhydroxide absorbeert kooldioxide uit de lucht door de vorming van lithiumcarbonaat en heeft vanwege zijn lage gewicht de voorkeur boven andere alkalische hydroxiden.

Lithiumperoxide (Li2O2) reageert in aanwezigheid van vocht niet alleen met kooldioxide tot lithiumcarbonaat, maar geeft ook zuurstof vrij. De reactie is als volgt:

2 Li2O2 + 2 CO2 → 2 Li2CO3 + O2.

Sommige van de bovengenoemde verbindingen, evenals lithiumperchloraat, worden gebruikt in zuurstofkaarsen die onderzeeërs van zuurstof voorzien. Deze kunnen ook kleine hoeveelheden boor, magnesium, aluminium, silicium, titanium, mangaan en ijzer bevatten.

Optiek

Lithiumfluoride, kunstmatig gekweekt als kristal, is helder en transparant en wordt vaak gebruikt in gespecialiseerde optiek voor IR-, UV- en VUV (vacuüm UV) toepassingen. Het heeft een van de laagste brekingsindexen en het verste transmissiebereik in de diepe UV van de meest voorkomende materialen. Voor de thermoluminescente stralingsdosimetrie (TLD) is fijn verdeeld lithiumfluoride poeder gebruikt: wanneer een monster hiervan aan straling wordt blootgesteld, accumuleert het kristaldefecten die, wanneer het wordt verhit, worden opgelost via een afgifte van blauwachtig licht waarvan de intensiteit evenredig is met de geabsorbeerde dosis, waardoor dit kan worden gekwantificeerd. Lithiumfluoride wordt soms gebruikt in brandpuntsglazen van telescopen.

De hoge niet-lineariteit van lithium niobaat maakt het ook nuttig in niet-lineaire optische toepassingen. Het wordt op grote schaal gebruikt in telecommunicatieproducten zoals mobiele telefoons en optische modulatoren, voor componenten zoals resonantiekristallen. Lithium toepassingen worden in meer dan 60% van de mobiele telefoons gebruikt.

Organische en polymeerchemie

Organolithiumverbindingen worden op grote schaal gebruikt bij de productie van polymeren en fijnchemicaliën. In de polymeerindustrie, die de dominante consument van deze reagentia is, zijn alkyl-lithiumverbindingen katalysatoren/initiatiefnemers. in anionische polymerisatie van ongefunctioneerde olefinen. Voor de productie van fijnchemicaliën fungeren organolithiumverbindingen als sterke basen en als reagentia voor de vorming van koolstof-koolstofverbindingen. Organolithiumverbindingen worden bereid uit lithiummetaal en alkylhalogeniden.

Veel andere lithiumverbindingen worden gebruikt als reagens voor de bereiding van organische verbindingen. Enkele populaire verbindingen zijn lithiumaluminiumhydride (LiAlH4), lithiumtriethylborohydride, n-butyllithium en tert-butyllithium worden vaak gebruikt als extreem sterke basen, de zogenaamde superbases.

Militaire toepassingen

Metaallithium en zijn complexe hydriden, zoals Li, worden gebruikt als hoogenergetische additieven voor raketstuwstoffen. Lithium-aluminiumhydride kan ook zelf als vaste brandstof worden gebruikt.

De Mark 50 torpedo opgeslagen chemische energie aandrijfsysteem (SCEPS) maakt gebruik van een kleine tank met zwavelhexafluoride gas, dat over een blok vast lithium wordt gespoten. De reactie genereert warmte, waardoor er stoom ontstaat om de torpedo in een gesloten Rankine cyclus voort te stuwen.

Lithiumhydride met lithium-6 wordt gebruikt in thermonucleaire wapens, waar het dient als brandstof voor de fusiefase van de bom.

Nucleair

Lithium-6 wordt gewaardeerd als bronmateriaal voor de productie van tritium en als neutronenabsorber bij kernfusie. Natuurlijk lithium bevat ongeveer 7,5% lithium-6, waaruit grote hoeveelheden lithium-6 zijn geproduceerd door isotopenscheiding voor gebruik in kernwapens. Lithium-7 is interessanter geworden voor gebruik in koelmiddelen voor kernreactoren.

Lithium deuteride was de fusiebrandstof bij uitstek in de vroege versies van de waterstofbom. Bij het bombarderen met neutronen produceren zowel 6Li als 7Li tritium - deze reactie, die niet volledig werd begrepen toen de waterstofbommen voor het eerst werden getest, was verantwoordelijk voor de op hol geslagen opbrengst van de kernproef van Castle Bravo. Tritium versmelt met deuterium in een fusiereactie die relatief eenvoudig te realiseren is. Hoewel details geheim blijven, speelt lithium-6 deuteride blijkbaar nog steeds een rol in moderne kernwapens als kernmateriaal.

Lithiumfluoride, wanneer het sterk verrijkt is in de lithium-7 isotoop, vormt het basisbestanddeel van het fluoridezoutmengsel LiF-BeF2 dat gebruikt wordt in vloeibare fluoridekernreactoren. Lithiumfluoride is uitzonderlijk chemisch stabiel en LiF-BeF2-mengsels hebben een laag smeltpunt. Bovendien behoren 7Li, Be en F tot de weinige nucliden met voldoende lage thermische neutronenvangstdoorsneden om de splijtingsreacties in een kernsplijtingsreactor niet te vergiftigen.

In geconceptualiseerde (hypothetische) kernfusiecentrales zal lithium worden gebruikt om tritium te produceren in magnetisch opgesloten reactoren met deuterium en tritium als brandstof. Natuurlijk voorkomend tritium is uiterst zeldzaam en moet synthetisch worden geproduceerd door het reagerende plasma te omringen met een ‘deken’ die lithium bevat, waarbij neutronen van de deuterium-tritiumreactie in het plasma het lithium zullen splijten om meer tritium te produceren:

6Li + n → 4He + 3H.

Lithium wordt ook gebruikt als bron voor alfadeeltjes, of heliumkernen. Wanneer 7Li wordt gebombardeerd door versnelde protonen wordt 8Be gevormd, dat splijting ondergaat om twee alfadeeltjes te vormen. Deze prestatie, die destijds “splitsing van het atoom” werd genoemd, was de eerste volledig door de mens veroorzaakte kernreactie. Het werd geproduceerd door Cockroft en Walton in 1932.

In 2013 zei het US Government Accountability Office dat een tekort aan lithium-7 cruciaal is voor de werking van 65 van de 100 Amerikaanse kernreactoren “hun vermogen om elektriciteit te blijven leveren op enig risico plaatst”. Kasteel Bravo gebruikte eerst Lithium-7, in de Garnaal, zijn eerste apparaat, dat slechts 10 ton woog, en produceerde massieve nucleaire atmosferische besmetting van Bikini Atol. Dit verklaart misschien de achteruitgang van de Amerikaanse nucleaire infrastructuur. Het materiaal dat nodig is om lithium-6 van lithium-7 te scheiden is meestal een overblijfsel uit de koude oorlog. De VS hebben de meeste van deze machines in 1963 stilgelegd, toen ze een enorm overschot aan afgescheiden lithium hadden, dat meestal in de twintigste eeuw werd geconsumeerd. Het rapport zei het vijf jaar en $10 miljoen tot $12 miljoen zou vergen om de capaciteit te herstellen om lithium-6 van lithium-7 te scheiden.

De reactoren die lithium-7 gebruiken verwarmen water onder hoge druk en brengen hitte door warmtewisselaars over die naar voren gebogen aan corrosie zijn. De reactoren gebruiken lithium om de corrosieve effecten van boorzuur tegen te gaan, dat aan het water wordt toegevoegd om overtollige neutronen te absorberen.

Medicijn

Lithium is nuttig bij de behandeling van bipolaire stoornissen. Lithiumzouten kunnen ook nuttig zijn voor verwante diagnoses, zoals schizoaffectieve stoornis en cyclische zware depressie. Het actieve deel van deze zouten is het lithium-ion Li+. Ze kunnen het risico op het ontwikkelen van Ebstein’s hartafwijking verhogen bij zuigelingen die geboren worden bij vrouwen die lithium nemen tijdens het eerste trimester van de zwangerschap.

Lithium is ook onderzocht als mogelijke behandeling voor clusterhoofdpijn.

Biologie

Lithium wordt in sporenvorm aangetroffen in talrijke planten, plankton en ongewervelde dieren, in concentraties van 69 tot 5.760 delen per miljard (ppb). Bij gewervelde dieren is de concentratie iets lager, en bijna alle gewervelde weefsels en lichaamsvloeistoffen bevatten lithium, variërend van 21 tot 763 ppb. Mariene organismen hebben de neiging om meer lithium te bioaccumuleren dan terrestrische organismen. Of lithium een fysiologische rol heeft in een van deze organismen is onbekend.

Primaire voedselbronnen van lithium zijn granen en groenten, en in sommige gebieden bevat het drinkwater ook aanzienlijke hoeveelheden. De inname door de mens varieert afhankelijk van de locatie en het dieet.

Lithium werd voor het eerst ontdekt in menselijke organen en foetale weefsels aan het einde van de 19e eeuw. Bij de mens zijn er geen gedefinieerde lithium-deficiëntie ziekten, maar een lage lithium-inname uit de watervoorziening werd in verband gebracht met een verhoogd aantal zelfmoorden, moorden en de arrestatiecijfers voor drugsgebruik en andere misdaden. De biochemische werkingsmechanismen van lithium lijken multifactorieel te zijn en hangen samen met de functies van verschillende enzymen, hormonen en vitaminen, alsook met groei- en transformatiefactoren.

Veiligheid

Lithium is corrosief en vereist een speciale behandeling om huidcontact te voorkomen. Het inademen van lithiumstof of lithiumverbindingen (die vaak alkalisch zijn) irriteert in eerste instantie de neus en de keel, terwijl een hogere blootstelling een ophoping van vocht in de longen kan veroorzaken, wat kan leiden tot longoedeem. Het metaal zelf is een behandelingsrisico, omdat bij contact met vocht het bijtende lithiumhydroxide ontstaat. Lithium wordt veilig opgeslagen in niet-reactieve verbindingen zoals nafta. Regelgeving

In sommige rechtsgebieden wordt de verkoop van lithiumbatterijen, die voor de gewone consument de gemakkelijkst verkrijgbare bron van lithium zijn, beperkt. Lithium kan worden gebruikt om pseudo-efedrine en efedrine te reduceren tot methamfetamine in de berkenreductiemethode, waarbij oplossingen van alkalimetalen worden gebruikt die in watervrije ammoniak zijn opgelost.

Het vervoer en de verzending van sommige soorten lithiumbatterijen kan worden verboden aan boord van bepaalde soorten vervoer (met name vliegtuigen) vanwege het vermogen van de meeste soorten lithiumbatterijen om bij kortsluiting zeer snel volledig te ontladen, wat leidt tot oververhitting en een mogelijke explosie in een proces dat thermische ontlading wordt genoemd. De meeste consumentenlithiumbatterijen hebben een ingebouwde thermische overbelastingsbeveiliging om dit soort incidenten te voorkomen, of zijn op een andere manier ontworpen om kortsluitstromen te beperken. Interne kortsluitingen als gevolg van fabricagefouten of fysieke schade kunnen leiden tot spontane thermische ontlading.