Успехи инженеров, сумевших довести технологии накопления энергии до приемлемого уровня себестоимости, спровоцировали взрывной рост предложений по носимой электронике. При всём разнообразии моделей, характеристик, цен и брендов есть у них нечто общее — жгучая страсть к аккумуляторам.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(42). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Потребность в аккумуляторах была настолько острой, что мы охотно закрывали глаза на многие их недостатки. Достаточно вспомнить никель-кадмиевые и никель-металлогидридные варианты с пресловутым «эффектом памяти». Хотя справедливости ради надо отметить, что они до сих пор прочно удерживают позиции в сегменте устройств, требующих больших рабочих токов и стабильности в тяжёлых условиях эксплуатации. Ручной электроинструмент типа дрелей и шуруповёртов, фотовспышки, электрокары, бортовое питание кораблей и самолётов — всё это остаётся обширной и консервативной средой обитания никель-кадмиевых аккумуляторов.

Но мобильных телефонов и других гаджетов намного больше! И всё же если принять во внимание, что в аккумуляторе простого смартфона «энергичного» металла примерно 3 грамма, а в ноутбуке — в 3 раза больше, то общая масса лития в сотне миллионов устройств не такая уж и большая. Во всяком случае, ­добывавшихся в начале нового тысячелетия 15 тысяч тонн хватало ещё и для производства стекла и керамики (треть мирового потребления), смазочных материалов (например, хорошо известный автомобилистам литол) и полимеров. Свою долю забирали энергетики для нужд ядерных реакторов, в которых литий выполняет функцию теплоносителя.

Но к 2010 году потребление лития перевалило за 500 тысяч тонн. Самыми «прожорливыми» покупателями металла оказались производители аккумуляторов, изобретённых фирмой Sony в 1991 году. Уже тогда, на заре «литиевой лихорадки», новейшие батареи добились рекордной удельной плотности энергии, в 3–4 раза перекрыв прежние достижения. Удивительно, но факт: нынешние литиевые аккумуляторы сохранили рекордные показатели тридцатилетней давности, изменившись конструктивно только с точки зрения безопасности. Литиевые технологии, в своё время ознаменовавшие прорыв и революцию, оказались в принципиальном тупике. Конечно, они совершенствуются, причём довольно интенсивно, приобретая гибкость, устойчивость к тепловым перегрузкам и тому подобное. Но в главном — удельной плотности запасённой энергии — прирост не превышает нескольких процентов.

Впрочем, ни сегодня, ни в ближайшем будущем аккумуляторные революции нам не грозят. Натриевые, графеновые, радиоизотопные, органические и другие перспективные источники питания пока не вышли из стадии экспериментов и ещё лет пять не смогут конкурировать с литиевыми элементами как минимум по одному параметру — себестоимости. А это значит, что литий надолго обречён обеспечивать нашу мобильность и готовность быть «всегда на связи».

Некоторые футуристы, склонные к апокалиптическим сценариям (а иначе кто их будет слушать?), пророчат скорое исчерпание запасов лития и аккумуляторный коллапс. Тревожные настроения усугубляются заявлениями небезызвестного Илона Маска, время от времени потрясающего общественность эффектными, но весьма спорными разработками. Взять хотя бы разрекламированную «Теслу», набитую ноутбучными литий-ионными аккумуляторами типа 18650; домашнюю супербатарею Powerwall, заправленную почти выработавшими ресурс элементами с уже упомянутых «Тесл»; или электрический остров Тау (об этом написано много). К счастью (или наоборот), реальные успехи прожектов Маска далеки от рекламных заявлений, иначе с острейшим дефицитом лития пришлось бы столкнуться уже пару лет назад.

4000 машин «Тесла» грузят в Сан–Франциско, чтобы отправить в Европу

По словам Илона Маска Tesla производила 0 автомобилей в 2011 году, но в 2019-м выпустит 500 000 машин

Но не «Теслами» едиными жив автомобильный рынок. К 2023–2025 годам массовое производство электромобилей наладят все мировые гранды, от Mercedes и BMW до Toyota и Huyndai. Вместе они планируют довести выпуск до 15 миллионов машин в год. Так вот, только для электромобилей к 2025 году потребуется добывать почти 100 тысяч тонн лития (почти в три раза больше, чем сейчас). А самое интересное, что даже при такой фантастической динамике автопром будет не главным его потребителем.

Львиную долю «энергичного» металла заберут стационарные платформы — батарейные парки из устройств с рекордной ёмкостью, в каждом из которых будет содержаться примерно тонна лития. Прототип такой платформы, Hornsdale Power Reserve в Южной Авс­тралии, накапливает до 130 МВтч электро­энергии, вырабатываемой ветряной фермой Hornsdale, и раздаёт потребителям в часы пиковых нагрузок. Согласно отчёту фирмы Neoen, владельца энергохранилища, за год система позволила сэко­номить около 40 миллионов долларов и вывести газотурбинные генераторы из оборота.

В планах австралийских (и не только) властей — сооружение подобных хранилищ во всех частях континента, бедного традиционными энергоресурсами. Однако благие намерения упираются в одну небольшую проблему: на реализацию этой программы нужно не менее 500 тысяч тонн лития, который пока просто неоткуда взять.

Причин для тревоги достаточно. Большая их часть связана со свойствами самого лития, самого лёгкого металла в природе. По идее, его должно быть очень и очень много, ведь в таблице Менделеева он следует сразу за водородом и гелием, самыми распространёнными химическими элементами во Вселенной. Однако именно эта «лёгкость» способствует выдающейся химической активности лития, из-за которой он на Земле в чистом виде не встречается. Сильная окисляемость вынуждает хранить его в вазелине или парафине, ограждающих металл от контакта с кислородом атмосферы.

В классическом изображении атома фигурирует именно литий: три его электрона с воображаемыми орбитами формируют узнаваемый образ

По оценкам учёных, растворённые в океане соли лития (0,17 мг/л) тянут в сумме на полтриллиона тонн, примерно столько же (21 г/т) содержится в земной коре. Но всё это богатство эфемерно: извлечение лития, например, из морской воды слишком затратно и с точки зрения энергии, и по себестоимости. Единственный на сегодня экономически оправданный способ промышленной добычи лития связан с особенностями его месторождений.

Одно из месторождений, чрезвычайно перспективное и крупнейшее в мире из разведанных, расположено в боливийской соляной пус­тыне Уюни (Salar de Uyuni) площадью 10,5 тысячи квадратных километров (сравнимо с островом Ямайка). Это высохшее озеро на высоте свыше 3,5 километра над уровнем моря в краткий сезон дождей (январь-февраль, когда выпадает до 70 мм осадков, в остальные месяцы — всего 3 мм) покрывается тонким слоем воды и превращается в огромное зеркало.

Запасы соли на боливийском солончаке Уюни превышают 10 млрд тонн, из которых ежегодно добывается около 25 тыс. тонн

Однако главное богатство Салар-­де-Уюни — не сюрреалистические виды. ­Боливийский солончак таит от двух до трёх четвертей сравнительно легко извлекаемых запасов лития (в форме хлорида). Подтверждённые запасы оцениваются в 9–10 миллионов тонн, хотя до недавних пор разработка не велась из-за относительно низкой концентрации лития и большого содержания магния. Важно отметить, что речь идёт именно о легко извлекаемых запасах, не требующих строительства шахт и применения изощрённых технологий очистки и обогащения. Подобными сокровищами могут похвастаться соседи Боливии по так называемому литиевому треугольнику: Чили (лидер по добыче лития с долей 40%) и Аргентина (четверть мирового производства), располагающие солончаками Салар-де-Атакама (Salar de Atacama) и ­Салар-дель-Омбре Муэрто (Salar del Hombre Muerto). Месторождение в чилийской пус­тыне Атакама разрабатывается с середины 1980‑х годов и выработано уже наполовину. Оставшаяся часть, по мнению специалистов, может быть извлечена только при полном уничтожении солончака.

Аргентинское месторождение Салар-­дель-Омбре Муэрто разрабатывается с начала 2000‑х и сильно проигрывает соседям по «литиевому треугольнику»: его запасы не превышают миллиона тонн. Впрочем, по сравнению с вычерпанными почти до дна американским Silver Peak в Неваде и китайским Taijinaier Salt Lake в предгорьях Тибета (провинция Цинхай) оно более чем перспективно — обеспечивает одну восьмую часть мировых поставок лития. Но даются они очень высокой ценой. Недаром Боливия вопреки ожиданиям не так уж рьяно стремится к полномасштабному освоению солончака Уюни, предпочитая удерживать ситуацию под жёстким государственным контролем.

Добыча лития — процесс, который меняет ландшафт до неузнаваемости и, главное, отравляет небогатые запасы местных пресных вод солью и хлором (хлор применяется для нейтрализации токсичных соединений лития и магния). Основа процесса — рапа, пересыщенный солевой раствор. Для её получения пробиваются шахты глубиной до 40 метров или траншеи, в которые закачивается пресная вода. Затем рассол, похожий на слякотный снег, поднимается на поверхность.

Там в десятках рукотворных бассейнов размером с хоккейную площадку рассол в течение года доводится на солнце до кондиции, когда концентрация лития возрастает до 5–6%. Тогда его закачивают в цистерны и везут на очистительную фабрику. С неё производители аккумуляторов и получают белоснежный порошок, похожий на муку, — очищенный, высушенный и гранулированный карбонат или хлорид лития по цене, бьющей все рекорды по динамике роста (более 40% в год). Ради него небогатый пустынный ландшафт буквально «выжигается» до космической стерильности.

Процесс добычи соли на солончаке Салинас-Грандес в Аргентине

Боливийское месторождение Уюни с точки зрения эффективности добычи менее выгодно, чем его соседи по «треугольнику»: концентрация лития ниже, а относительное содержание магния и лития достигает 30:1. Это значит, что экологический ущерб будет ещё выше, а местные запасы воды будут уничтожены в кратчайшие сроки.

Афганистан, сегодня стойко ассоциирующийся с талибами и промышленным производством героина, на самом деле набит сокровищами: от богатейших залежей урана до волшебных россыпей изум­рудов и рубинов. Но главное богатство находится в южной провинции Газни. Это солончак Дашт-и-Навар, высохшее вулканическое озеро в предгорьях Гиндукуша. По предварительным оценкам, запасы лития в нём не уступают боливийскому Уюни. И это только одно месторождение! Подобные озёра есть также в провинциях Герат и Нимруз, и кто знает, какие сокровища таятся в них. Стоит добавить и разведанные ещё советскими геологами запасы богатых литиевых руд на востоке страны.

Но похоже, проще будет изобрести миниатюрный атомный реактор или отладить систему переработки литиевой «макулатуры» (отработанных аккумуляторов), чем освоить афганские или боливийские месторождения: в одном случае слишком неблагоприятны политические и социальные факторы, а в другом экологические последствия, и вряд ли ситуация изменится в обозримом будущем.