Il litio è utilizzato in diverse applicazioni, ma attualmente il mercato è particolarmente caldo a causa di un settore delle auto elettriche in continua espansione.
MATERIE PRIME. Il LITIO è uno dei minerali emergenti strategici più importanti in quanto è ampiamente utilizzato nello stoccaggio dell'energia delle batterie, nella vetroceramica, nel grasso, nel trattamento dell'aria, nella metallurgia, nella medicina e in altri campi. Tuttavia, le risorse globali di litio sono relativamente limitate.
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Argomenti trattati Litio e le batterie dei veicoli elettrici |
Introduzione
Il litio è uno degli elementi emergenti strategici più importanti, infatti è ampiamente utilizzato nello stoccaggio dell’energia delle batterie, nella vetroceramica, nel trattamento dell’aria, nella metallurgia, nella medicina e in altri campi.
Il litio è una materia prima industriale chiave per il presente e il futuro a causa del rapido sviluppo dell’industria dei veicoli elettrici.
Secondo le statistiche della Lithium Industry Branch della China Nonferrous Metals Association e dei relativi istituti di ricerca, la domanda globale di litio dal 2015 al 2019 è aumentata da 162mila tonnellate a 297mila tonnellate, con un tasso di crescita medio annuo del 16,4%.
Le risorse globali di litio sono relativamente limitate. A partire dal 2020, le riserve globali di minerale di litio sono stimate in 128,28 milioni di tonnellate (equivalente di carbonato di litio), distribuite principalmente in Argentina, Bolivia, Cile, Australia, Cina e altri paesi.
Il litio in natura
Il litio (simbolo chimico Li) è un metallo da bianco-argento a grigio appartenente al gruppo dei metalli alcalini. Con una densità di soli 0,53 g/cm3, il litio è il metallo più leggero e l’elemento solido meno denso a temperatura ambiente. Inoltre, il litio ha un’eccellente conduttività elettrica e il più alto potenziale elettrochimico di tutti i metalli.
A causa della sua elevata reattività il litio si trova in natura solo sotto forma di composti minerali inerti come i silicati, o, in generale, come cloruro nelle salamoie e nell’acqua di mare.
Lo spodumene
Lo spodumene è un minerale del gruppo dei pirosseni monoclini, LiAlSi2O6. Si presenta in cristalli prismatici, spesso appiattiti, di vario colore: bianco verdiccio, verde in vari toni, rosa violaceo. Questo minerale si trova in grossi cristalli nelle pegmatiti granitiche e costituisce la principale fonte di estrazione di litio.
Lo spodumene è anche usato come pietra preziosa e in quell'uso vengono usati i nomi delle varietà di colore del minerale. Lo spodumene dal rosa al viola è noto come kunzite, lo spodumene verde è noto come hiddenite e lo spodumene giallo è noto come triphane. (Credit Geology.com)
Il fulcro delle ricerche di spodumene è il Portogallo, che, dati 2016, contribuisce all’1,3% della produzione mondiale di litio.
Lo spodumene si trova anche in Finlandia, dove infatti c’è un altro progetto per scavare. A Nikula, in Finlandia, lo spodumene venne scoperto nel 1959. La società mineraria locale conta di avviare gli scavi nella regione dell’Ostrobotnia centrale, dopo essersi assicurata un’iniezione di 40 milioni di euro con l’ingresso di un nuovo socio nel 2021. Il gruppo punta a una produzione annuale di 15mila tonnellate di idrossido di litio, che serve alla filiera delle batterie delle auto elettriche.
In Ucraina. I geologi lo chiamano scudo ucraino. Quella terra di mezzo che parte dal confine nord con la Bielorussia fino a toccare le sponde del mar Azov, nel sud del Donbass. Secondo gli studi del servizio geologico ucraino, nelle antichissime rocce di questo scudo si nascondono giacimenti di litio dal grandissimo potenziale. Ritrovamenti sono stati individuati soprattutto attorno alla zona di Mariupol, la città portuale del Donbass.
Una ricchezza confermata dal fatto che il litio ucraino aveva iniziato ad attirare l'attenzione globale prima che l’invasione russa bloccasse le esplorazioni. Infatti, la società australiana European Lithium aveva dichiarato di essere vicina ad assicurarsi i diritti su due promettenti giacimenti di litio nella regione di Donetsk (Ucraina orientale) e a Kirovograd, nel centro del Paese. Lo stesso mese anche la società cinese Chengxin Lithium chiese i diritti su alcuni giacimenti, una mossa che avrebbe permesso alla Cina di aggiudicarsi il primo giacimento in territorio Europa.
Lepidolite
La lepidolite è un minerale raro con formula KLi2Al(Si4O10)(F,OH)2-K(Li,Al)3(AlSi3O10)(F,OH)2
Si rinviene in piccole lamine trasparenti a Coolgardie in Australia. In USA splendidi aggregati si sono formati a Pala in California, a Dixon in New Mexico, e a Middletown in Connecticut. In Russia è presente negli Urali. In Italia si sono trovati piccoli cristalli a San Piero in Campo dell’Isola d’Elba. In Europa si trova a Rozna in Moravia e a Uto in Svezia
Petalite
La petalite è un minerale raro con formula LiAlSi4O10
E’ presente in Svezia, in Finlandia, in Namibia, in Australia, in Russia, in Zimbabwe e negli Stati Uniti. In Italia si trova nel granito dell'Isola d'Elba.
Carbonato di litio
Il carbonato di litio (Li2CO3) è preferito quando la qualità e altri fattori escludono l'uso dei minerali.
Il carbonato viene comunemente estratto da depositi salini e quindi raffinato a produrre il litio metallico usato nelle batterie. Le maggiori riserve di carbonato di litio si trovano in Cile, Bolivia, Cina, Brasile e Stati Uniti.
Il litio è attualmente prodotto da depositi minerali di roccia dura o da salamoie.
Nel 2017 e nel 2018, c'è stato un forte aumento dell'offerta da estrazione da spodumene, a causa di un massiccio aumento della produzione di litio in Australia. Nel 2018, l'offerta di litio estratto dalle rocce ha superato quella dalle salamoie.
La Cina ha la maggior parte della capacità di raffinazione del mondo e, di conseguenza, svolge un ruolo significativo nelle esportazioni, importazioni e consumo di litio. La Cina produce grandi quantità di carbonato di litio e idrossido di litio, principalmente da concentrati minerali (spodumene), importati principalmente dall'Australia.
Produzione
Dal 2010 al 2020, la produzione globale di litio è aumentata da 28.100 tonnellate a 95.000 tonnellate. Nel 2019, il litio è stato estratto per oltre il 95% in Australia, Cile, Cina e Argentina. In Australia e Cina, il litio viene estratto principalmente dalle rocce dure, mentre in Cile e Argentina il litio viene estratto dalle salamoie
Le batterie potrebbero essere la principale fonte di litio riciclato, ma il suo recupero è ancora una sfida nel 2021 a causa dell'elevato consumo di energia. Si prevede che il recupero del litio sarà economicamente fattibile nel prossimo decennio grazie all'aumento della capacità degli impianti di riciclaggio.
La produzione di prodotti finali Li2CO3 e LiOH dalla massa nera (ovvero il materiale della frazione di scarto degli elettrodi dopo la rimozione meccanica di Al e Cu) attraverso l'idrometallurgia è lo scenario di riciclaggio commerciale più possibile.
La produzione europea di litio, cobalto, nichel, grafite e altri metalli e minerali strategici per la transizione digitale ed energetica è ben al di sotto delle necessità.
Solo per estrarre litio ci sono nove progetti europei. Il fulcro delle ricerche è il Portogallo, che contribuisce all’1,3% della produzione mondiale di litio. In terra lusitana sono presenti depositi di spodumene, “l’unico minerale che contiene litio in una percentuale abbastanza elevata”.
I processi principali per il recupero del litio dalle salamoie sono chiamati processo di evaporazione della soda di calce e generalmente consistono in fasi che iniziano con la concentrazione per evaporazione, la rimozione delle impurità e la precipitazione per carbonatazione. La produzione di litio dalla salamoia presenta un costo operativo inferiore di circa il 30-50% rispetto alla rispettiva estrazione da fonti rocciose.
Il processo di produzione di LiOH e Li2CO3 da spondumene e argille, rispettivamente, è complesso e comprende varie fasi di arricchimento, preparazione della pre-lisciviazione (cioè tostatura), lisciviazione e purificazione.
L’impatto ambientale dell’industria del litio
Tra le questioni più critiche nel rapporto con l’ambiente vi è, innanzitutto, il consumo di acqua dovuto al processo di estrazione – si parla di 1,8 milioni di litri di acqua per tonnellata di litio. Nelle saline sudamericane, situate in aree già aride, lo squilibrio idrico ha provocato un aumento della siccità e della desertificazione; inoltre, le contaminazioni dalle sostanze tossiche utilizzate nell’attività estrattiva hanno contribuito a un ulteriore impoverimento e inquinamento delle falde acquifere. Uno dei casi più critici è del Salar di Atacama, lago salino responsabile del 40% della produzione mondiale di litio. Qui, le attività di estrazione hanno consumato il 65% della quantità d’acqua presente, aggravando la crisi idrica che il Cile sta già fronteggiando.
L'estrazione di litio in Cile è legata ad abusi ambientali, sociali e lavorativi, sollevando preoccupazioni sul fatto che in assenza di politiche industriali sostenibili l'aumento della produzione potrebbe avere (ulteriori) impatti negativi sulle comunità locali, sui lavoratori e sull'ambiente.
L'estrazione mineraria nel lago salato di Atacama pone problemi sociali ed etici a cui sono particolarmente esposte le popolazioni indigene della regione. Infatti le popolazioni cilene hanno iniziato a protestare in quanto i ricavi che provengono dall'estrazione del litio sono dirottati principalmente a delle società private. Nel 2018, il Cile ha concesso alla società mineraria privata SQM il permesso di estrarre litio fino al 2030. SQM è il più grande produttore di litio al mondo, insieme alla società statunitense Albemarle. Un tempo azienda statale, è stata privatizzata durante la dittatura militare sotto Pinochet negli anni '80.
L’impatto ambientale dell’industria del litio riguarda anche le emissioni di anidride carbonica, che variano dalle 5 alle 15 tonnellate per singola tonnellata di litio estratto. Secondo Roskill, società di analisi e valutazioni di mercato dei minerali, le emissioni di CO2 derivanti da estrazione, lavorazione e trasporto del litio sono destinate a triplicare entro il 2025 e a crescere di 6 volte entro il 2030. Nel quadro generale che si delinea l’aumento delle emissioni dovute al processo di produzione delle batterie sarebbe tale da ridurre i benefici climatici dovuti all’utilizzo dei veicoli elettrici.
Conciliare l’industria del litio e la sostenibilità potrebbe rivelarsi possibile attraverso il riciclaggio. In Europa, tuttavia, solo il 5% delle batterie a ioni di litio viene riciclato, complici i problemi di logistica e i costi elevati – attualmente recuperare il litio costa cinque volte in più che estrarlo.
Applicazioni
Le applicazioni tecniche del litio sono raggruppate in due categorie: vetro e ceramica che coprono circa il 66% e altre tra cui grasso lubrificante, produzione di cemento.
L'applicazione della batteria rimane molto bassa nell'UE.
Nel 2018, la produzione di batterie ricaricabili è stata la principale applicazione del litio, rappresentando oltre la metà (51%). Con l'elettrificazione del settore della mobilità attualmente in corso e l'accelerazione, la domanda di batterie agli ioni di litio e quindi la loro quota nell'uso complessivo di litio è aumentata rapidamente dal 20% nel 2008 al 51% nel 2018 e al 71% nel 2020. Altri mercati globali per i prodotti al litio sono vetro e ceramica, 14%; lubrificanti, 4%; produzione di polimeri, 2%; polveri metallurgiche, 2%; trattamento dell’aria, 1%; altro, 6%.
Batterie
Il litio è uno dei materiali più attraenti per le batterie grazie al suo elevato potenziale elettrochimico combinato con una massa bassa.
Nelle batterie non ricaricabili (o batterie primarie), il litio metallico viene utilizzato per l'anodo. Queste batterie sono più costose della maggior parte degli altri tipi di batterie usa e getta come le batterie alcaline, ma sono superiori in termini di durata operativa, dimensioni, stabilità e durata. Le batterie primarie al litio sono impiegate in varie applicazioni domestiche (ad esempio calcolatrici, macchine fotografiche e orologi) e dispositivi medici (ad esempio pacemaker cardiaci).
Nelle batterie ricaricabili, il litio è presente nell'elettrolita e nel catodo delle batterie ricaricabili agli ioni di litio. I vantaggi delle batterie agli ioni di litio rispetto ad altri tipi di batterie sono l'eccezionale densità di energia e potenza, nonché la lunga durata e il ciclo di vita. Nell'elettrolita, i sali di litio (ad es. litio perclorato (LiClO4) vengono utilizzati insieme a solventi organici. Nel catodo, sono attualmente in uso commerciale diverse sostanze chimiche agli ioni di litio con un'ampia gamma di prestazioni e costi. Il carbonato di litio e l'idrossido di litio sono i principali composti di litio per la produzione di materiali catodici.
Le batterie agli ioni di litio vengono utilizzate in una vasta gamma di usi finali, mentre emergono ancora nuove applicazioni.
Il più grande mercato nel 2015 è stato quello dei dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, laptop, tablet, fotocamere digitali, ecc., corrispondenti al 65% della domanda totale di batterie al litio. Da allora, il settore emergente dei veicoli elettronici è diventato il più grande mercato per le batterie agli ioni di litio, in particolare per i veicoli elettrici (BEV - Battery Electric Vehicle) e i veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), ma anche per altre forme di trasporto elettrico come biciclette e scooter.
Inoltre, le batterie agli ioni di litio hanno trovato impiego in utensili elettrici senza fili per impieghi gravosi e dispositivi medici (ad esempio apparecchi acustici).
Infine, le batterie agli ioni di litio hanno il potenziale per essere utilizzate in sistemi di accumulo di energia off-grid e connessi alla rete.
Nelle batterie ricaricabili è disponibile sul mercato un'ampia gamma di tipologie non al litio, come le batterie al nichel-cadmio (NiCd), al nichel-metallo idruro (NiMH) e al piombo-acido, con diversi vantaggi e svantaggi rispetto alle tipologie agli ioni di litio.
In generale, la batteria agli ioni di litio sta progressivamente sostituendo le batterie al nichel grazie alle sue migliori prestazioni. Le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) competono con le batterie agli ioni di litio con buone prestazioni per lo stoccaggio di energia e i veicoli elettrici ibridi (HEV).
Mercato
Si prevede che la dimensione globale del mercato del litio crescerà del 1,9% dal 2020 al 2027, trainata dalla domanda di batterie agli ioni di litio soprattutto per l'industria automobilistica.
Nel periodo 2000-2021 il principale fornitore dell'UE di carbonati di litio è stato il Cile che corrisponde a ca. 83% delle importazioni di carbonato di litio dell'UE. Stati Uniti, Cina e Argentina seguono rispettivamente con il 7%, 3% e 3% delle importazioni totali di carbonato di litio nell'UE. Nel caso dell'ossido e dell'idrossido di litio, la situazione delle importazioni era più diversificata: la Svizzera e la Russia sono stati i principali fornitori di ossido/idrossido di litio nell'UE, coprendo ca. rispettivamente il 31% e il 20% delle importazioni dell'UE. Cile, Stati Uniti e Cina seguono con ca. 17%, 15% e 10%.
Riciclo
Le batterie potrebbero essere la principale fonte di litio riciclato, ma il suo recupero è ancora una sfida a causa dell'elevato consumo energetico.
Si prevede che il recupero del litio sarà economicamente fattibile nel prossimo decennio grazie all'aumento della capacità degli impianti di riciclaggio.
La produzione dei prodotti finali Li2CO3 e LiOH dalla massa nera (ovvero il materiale della frazione di scarto degli elettrodi dopo la rimozione meccanica di Al e Cu) attraverso l'idrometallurgia è lo scenario di riciclaggio commerciale più possibile.
Riferimenti
Tracing of lithium supply and demand bottleneck in China’s new energy vehicle industry—Based on the chart of lithium flow, Front. Energy Res., 15 September 2022 Sec. Sustainable Energy Systems
Volume 10 - 2022
Horizon 2020 programme, Lithium
Renewable Matter, Ucraina: tutte le reserve di litio e le risorse minerarie nelle zone di Guerra
Orizzonti politici, Il dilemma del litio: transizione ecologica e danni ambientali
 Materie prime per la transizione energetica |
L’estrazione del cobalto e lo sfruttamento minorile |
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