Industria del litio
El Litio, de símbolo Li, encabeza la familia de los metales alcalinos en la tabla periódica. Su nombre proviene del griego “lithion” (piedrecilla). Es un elemento metálico, blanco plateado, químicamente reactivo, y el más ligero en peso de todos los metales. Pertenece al grupo 1 (o IA) del sistema periódico, lo que implica que su valencia es 1. El litio fue individualizado en 1817 por el químico sueco Johan August Arfvedson, integrado al hidróxido de litio en la petalita, y también fue Sir Humphrey Davy quien por primera vez logró aislarlo en 1818 en trazas por electrólisis de óxido de litio (Li 2O). En 18 1855 55,, Bu Bunnsen sen y Mat Matthie thiess ssen en lo obtuv btuviieron eron en gran grande dess cantidades por electrólisis de fosfato de litio (Li3PO4) fundido. Minerales que lo contienen: espodumena [LiAl(Si2O6)], lepido lepidolit litaa [(K,Li)(Al2Si3O10)(OH,F)2], petalita [(Li,Na)(AlSi4O10)], ambligonita ((Li,Na)Al(PO4)(F,OH)]. Entre los principales compuestos de litio se encuentra el carbonato de litio (Li2CO3) que, al igual que el fosfato de litio (Li3PO4), se diferencia de los otros carbonatos y fosfatos de metales alcalinos por su difícil solubilidad solubilidad en el agua. El cloruro de litio (LiCl) es soluble en el alcohol. Actualment Actualmentee se obtiene obtiene por electrólisis electrólisis de cloruro de litio (LiCl) fundido fundido (punto (punto de fusión fusión 613 613ºº C) o de una mezcla mezcla de cloruro cloruro de litio (LiCl) (45%) y de cloruro de potasio (KCl) (55%). También se obtiene a partir de salmueras. El litio es un elemento moderadamente abundante y está presente en la corteza terrestre en 65 partes por millón (ppm). Ocupa el lugar 35 en abundancia de la corteza terrestre
Entre las propiedades físicas más notables del litio está el alto calor específico (capacidad calorífica), el gran intervalo de temperatura de la fase líquida, alta conductividad térmica, baja viscosidad y muy baja densidad. Usos y aplicaciones
El principal uso industrial del litio es en forma de estearato de litio como espesante para grasas lubricantes. Además, se usa en la producción de tritio, carburantes, en aleaciones muy duras, electrodos de baterías (ánodos, debido a su elevado potencial electroquímico), vidrios especiales, síntesis orgánica (órgano compuestos de litio que son similares a los reactivos de Grignard), refrigerante. En otras de sus aplicaciones prácticas, el litio es empleado en los reactores nucleares, para obtener el tritio que es un componente de las aleaciones empleadas en su construcción; y también como catalizador. Otro de sus compuestos, el hidróxido de litio, absorbe el dióxido de carbono, por lo cual se emplea en submarinos y naves espaciales para la purificación del aire ambiente, eliminando los residuos de la respiración humana. Otros derivados del litio tienen importantes usos medicinales. El carbonato de litio para el tratamiento de artrosis, el bromuro de litio como sedante; y el citrato de litio y el carbonato de litio, como antídotos de las psicosis maníaco-depresivas en fase aguda. Tanto el bromuro como el cloruro de litio forman salmueras concentradas que tienen la propiedad de absorber humedad en un intervalo amplio de temperaturas; estas salmueras se emplean en los sistemas comerciales de aire acondicionado. Es agente reductor en la síntesis de muchos compuestos orgánicos.
En metalurgia, se emplea para extraer los gases en la fundición de ciertos minerales; y también para evitar la tendencia a que se forme una capa de óxido durante la elaboración del acero. Entre sus compuestos destacan:
El cloruro de litio (LiCl) es uno de los materiales más higroscópicos que se conocen y, junto con el bromuro de litio (LiBr) se emplea en sistemas de aire acondicionado y desecador. El yoduro de litio (LiI) preparado con 6-Li sirve de detector de neutrones El estearato de litio se emplea como lubricante de altas temperaturas. El peróxido de litio (Li2O2) se emplea en aparatos respiratorios de ciclo cerrado. El hidruro de litio es un combustible de cohetes. El perclorato de litio se emplea como portador de oxígeno en combustibles de cohetes. El hidróxido de litio es una base fuerte que se utiliza para purificar el aire (submarinos, etc.) ya que 1gramo de hidróxido consume 0,51gramos de CO2. El carbonato de litio en pequeñas dosis parece efectivo en el tratamiento de síndromes maníacos depresivos. El litio experimenta un gran número de reacciones, tanto con reactivos orgánicos como inorgánicos. Reacciona con el oxígeno para formar el monóxido y el peróxido. Es el único metal alcalino que reacciona con el nitrógeno a temperatura ambiente para producir un nitruro, el cual es de color negro. Reacciona fácilmente con el hidrógeno a casi 500º C (930º F) para formar hidruro de litio.
La reacción del litio metálico con agua es en extremo vigorosa aunque no tan violenta como el sodio (muchas de sus reacciones se parecen más a las del magnesio que a las del resto del grupo). El litio reacciona en forma directa con el carbono para producir el carburo. Se combina fácilmente con los halógenos y forma halogenuros con emisión de luz. Aunque no reacciona con hidrocarburos parafínicos, experimenta reacciones de adición con alquenos sustituidos por grupos arilo y dienos. También reacciona con compuestos acetilénicos, formando acetiluros de litio, los cuales son importantes en la síntesis de la vitamina A. Se inflama al aire. Al aire húmedo forma una capa amarilla de óxido y nitruro, por lo que se debe conservar en aceite mineral. Da a la llama un color carmesí; pero cuando el metal arde la llama es blanca deslumbrante. Se disuelve en amoníaco líquido originando una disolución de color azul. En ella parece encontrarse la especie Li-1. Una característica que se emplea en laboratorio para identificar el litio en el análisis químico, es que las sales de litio colorean la llama de un rojo intenso. Otras aplicaciones importantes de compuestos de litio son en cerámica, de modo específico en la formulación de esmaltes para porcelana; como aditivo para alargar la vida y el rendimiento en acumuladores alcalinos y en soldadura autógena y soldadura para latón. El deuterohidruro de litio a base del isótopo 6Li, es empleado en las bombas de hidrógeno. El almacenamiento se hace sumergiéndolo en un derivado de petróleo, como la nafta. El litio es el más liviano de los elementos que son sólidos a temperatura ambiente (densidad mitad de la del agua). Tiene el
mayor calor específico de todos los elementos sólidos, por lo que junto con el intervalo inusualmente grande en que es líquido, encuentra aplicaciones en sistemas de transferencia de calor (refrigeradores), aunque es corrosivo y hay que manejarlo con cuidado (refrigeración en centrales nucleares). Su conductividad eléctrica es 18% la del cobre. Se ha usado en aleaciones (en una proporción menor de 0,1%) muy duras (cojinetes), electrodos de baterías (alto potencial electroquímico), vidrios y cerámicas especiales. El 6-Li es una sustancia de partida en la obtención a gran escala de tritio empleado en bombas de hidrógeno. Se emplea para eliminar nitrógeno de mezclas de gases, formando nitruro. Procesos tecnológicos del litio
Más del 45 por ciento de las reservas mundiales de litio están ubicadas en el salar de Atacama. El hecho de que el recurso esté siendo explotado con respaldo norteamericano obedece a que disponen de la tecnología y a que la rentabilidad es tres veces mayor que extraerlo en una mina en el país del norte. Si chile se limita sólo a extraer el metal y no a transformar el recurso, está haciéndoles un generoso regalo a los países industrializados. El litio es un metal de propiedades especiales que lo hacen difícil de manejar, ya que se oxida rápidamente en atmósfera de aire húmedo, y a la vez atractivo para aplicaciones que sólo en los próximos años el desarrollo de la tecnología permitirá llevar a cabo a escala industrial.
Es en los últimos 15 años que el litio ha pasado a ser un metal de tecnologías avanzadas. Tres rubros deben ser mencionados en este
sentido, todos ellos relacionados directa o indirectamente con la energía y por tanto representarán productos de alta demanda una vez que se desarrolle la tecnología necesaria. Estas son las baterías basadas en materiales que contienen litio, las aleaciones de litioaluminio y el empleo del litio como alimentador en la producción de tritio para los reactores de fusión nuclear. Aleaciones de litio-aluminio
Se emplean en la construcción de la estructura de aviones. La adición, bajo ciertas condiciones. de un 3% de litio al aluminio produce una fase metálica mucho más resistente y liviana que las aleaciones de acero y titanio, empleadas actualmente en la industria aeronáutica. El Departamento de Energía de Estados Unidos ha estimado que la próxima generación de aviones comerciales estará construida de aleaciones de litio-aluminio y que ello permitirá ahorrar sumas sustanciales de combustible con respecto al consumo actual. Por otro lado, la fabricación de dichas aleaciones conlleva dificultades tecnológicas enormes, principalmente el enfriamiento súper rápido del fundido que debe ser un millón de grados centígrados por segundo para asegurar la formación de la fase mencionada. Reactores de fusión nuclear
El empleo del litio como alimentador de tritio es la que tecnológicamente esta más lejana. Dos núcleos de hidrógeno, el deuterio y el tritio se fusionan para producir un elemento más pesado, el helio. Esta reacción produce una temperatura igual a la del sol, es decir, unos 110 millones de grados centígrados, y requiere para iniciarse una temperatura interior. Aparte de dificultades que conlleva producir y controlar una reacción tan energética como ésta, existe el problema del combustible. El tritio es sumamente escaso. Todas las reservas naturales existentes no ascienden a más de 10 kilos, lo que alcanzaría para producir, por fusión nuclear, el 20% de la energía que requiere anualmente Estados Unidos. Una forma de producir tritio, la más viable comercialmente, es a partir de litio en un reactor de fusión. Las estimaciones indican, por un lado, que podrían haber reactores
comerciales en unos 30a 40 años más y por otro que de ocurrir esto la demanda de litio aumentaría entre 30 y 40 veces con respecto al consumo actual. Aun hoy, sin embargo, estas tres aplicaciones ocupan una pequeña parte del mercado del litio (aproximadamente un 4%). La mayor parte del mercado está cubierto por aplicaciones más convencionales, como el uso de aditivos de litio en la producción de aluminio; fabricación de materiales cerámicos, vidrios, etc.; empleo de litio en grasas lubricantes y en síntesis de productos químicos. El litio en Chile
Otros factores que deben mencionarse están relacionados con las grandes ventajas que Chile posee en sus yacimientos de litio. Más del 45% de las reservas mundiales conocidas de litio están ubicadas en el salar de Atacama en forma de salmueras. El litio está presente en concentraciones que son alrededor de diez veces superior a aquellas concentraciones encontradas en los salares norteamericanos. Por otro lado, un estudio reciente de la Universidad de Chile señala que la rentabilidad de construir y operar una planta de litio en el salar de Atacama es aproximadamente tres veces mayor que hacerlo en una mina de minerales pegmatíticos en Estados Unidos. Si se considera adicionalmente que hay otros elementos valiosos en el salar que deben ser extraídos conjuntamente con el litio, tales como el potasio y el magnesio, las ventajas de Chile en la explotación de estos yacimientos es enorme. Se explica, entonces, que haya habido tanto interés por parte de compañías extranjeras en participar en la licitación que CORFO llevó a cabo para el proyecto de sales potásicas en el salar de Atacama. Debe agregarse que el mercado mundial de los productos químicos, es decir, de la materia prima producida en las plantas de extracción de litio, es pequeña. No supera los 100 millones de dólares. El gran porvenir de este metal está en los productos industriales elaborados de litio, en especial en las tres aplicaciones mencionadas, que según todas las proyecciones tendrá una expansión muy rápida
durante un plazo prolongado de varias décadas. Realizar en Chile sólo lo que es la explotación de nuestros yacimientos sería entonces río sólo un error, sino que constituirían un regalo a los países industrializados. A partir de los factores mencionados es que se hace interesante examinar las posibilidades de participar en el desarrollo y elaboración de esas tecnologías. Las baterías
La primera aplicación que mencionamos fueron las baterías y pilas basadas en materiales que contienen litio. Estas son más duraderas, más confiables y pueden desarrollar más potencia que las baterías convencionales basadas en otros materiales. Será seguramente una batería de litio la que opere comercialmente en autos eléctricos, en reemplazo del motor de combustión. Pero introducir autos eléctricos a nivel masivo no depende sólo de la tecnología de las baterías, sino también del precio del petróleo y de otros factores. Aún hoy persisten problemas de corrosión de materiales, resistencia de separadores, cohesión de los electrodos mismos, etc. Esta batería (de litio-aluminio/fierro) contiene en su interior más de 15 materiales que deben interactuar a temperaturas cercanas a 500 grados centígrados en ciclos que deben repetirse unas 1 200 veces. La elección de estos materiales ha requerido conocer el comportamiento que presentan cuando pasan altas corrientes a través de ellos. Fue recién en la década de los 60 que se reconoció la existencia de materiales sólidos que permitían un flujo alto de iones, de tal manera que su composición cambiaba en forma continua, además de ser este proceso reversible en algunos de ellos. Se denominó a estos materiales, superconductores iónicos. Ellos permiten mantener altas corrientes eléctricas por largos períodos de tiempo. Y como el ión de litio tiene un tamaño extremadamente pequeño y es además el ión más liviano de todos los metales, es posible introducirlo en grandes cantidades en estos materiales sin que estos se saturen. Esta es la propiedad que permite a las baterías de litio tener una alta densidad de energía, es decir, almacenar mucha carga
eléctrica en un volumen y también en una masa pequeña. Del mismo modo, esta propiedad permite que los iones de litio se muevan muy rápidamente dentro del superconductor, es decir, le confiere una alta densidad de potencia. Por otro lado, el litio, debido a su configuración electrónica, es el elemento que tiene un potencial electroquímico más alto y por tanto en un par de electrodos es el que da mayor voltaje a una pila o batería. Traduciendo estos factores al funcionamiento de un automóvil, la alta densidad de energía permite que el automóvil llegue más lejos con una batería de litio que con otro tipo de baterías. La mayor densidad de potencia le permite una aceleración y una fuerza mayor. El estudio de estos problemas se denomina iónica del estado sólido y su desarrollo es reciente debido a la gran especialización experimental requerida. El desarrollo de esta rama de la ciencia también ha significado dar un nuevo impulso a la física de sólidos, para poder predecir desde un punto de vista teórico cuáles son los factores que harán que tal o cual materia sea un buen conductor iónico y como debe calcularse la difusión de un ión dentro de un sólido de compleja estructura. Esto ha conducido a hablar del diseño de materiales, diseño de su micro estructura, de su estructura atómica, molecular o cristalina y no de su forma externa. Combustión electroquímica
A fines del siglo pasado, cuando se desarrolló el motor de combustión interna, la batería ya había sido inventada. Entonces el desarrollo de las tecnologías de combustión y de energía electroquímica era comparable. Por motivos tecnológicos y económicos, sin embargo, se decidió desarrollar el motor de combustión. Miles de millones de dólares fueron invertidos con tal objeto con el resultado que hoy conocemos. La industria de los países desarrollados está dispuesta a invertir hoy enormes sumas en patrocinar un Campeonato de Formula Uno. El
motor de uno de estos automóviles ha alcanzado una atomización en el peso de los materiales empleados y en la energía consumida en el proceso de combustión. Asimismo, ha sido maximizada la potencia desarrollada por el motor tanto como la resistencia de los materiales que emplea al calor, la tensión, corrosión, etc. El motor de combustión interna tiene, sin embargo, limitaciones intrínsecas en su capacidad de transformar el calor proporcionado por la combustión en energía mecánica. Esta limitación está expresada en el segundo Principio de la Termodinámica: un motor ideal no puede transformar todo el calor en trabajo. La eficiencia del motor está dada por el calor entregado al motor dividido por el trabajo desarrollado por este. Si se considera que adicionalmente un motor real es menos eficiente que un motor ideal, y que además el proceso de producir calor (es decir, quemar el combustible) lleva consigo una eficiencia dada, resulta que todas estas contribuciones deben sumarse y el resultado es que hoy no hay ningún motor de combustión interna en un vehículo que funcione a más de 30% de eficiencia. O sea, que al utilizar bencina en un automóvil, estamos aprovechando sólo el 30% de su valor energético. Pero además, estamos contaminando el medio ambiente con gases dañinos y con ruido. Desde el punto de vista ecológico, estos tres factores constituyen una aberración de la civilización moderna. Existen, sin embargo, alternativas al motor de combustión en automóviles. La más relevante y con mayor posibilidades de éxito es desarrollar la economía del hidrógeno, elemento abundante en la naturaleza y excelente combustible. Basta con descomponer el agua para producir hidrógeno. Este puede ser almacenado por largos períodos, transportado a largas distancias, etc. La combustión del hidrógeno se puede producir de vanas maneras. Con el oxígeno del aire reacciona rápidamente para dar calor. El problema es que después debemos comenzar nuevamente el proceso del motor de combustión. El hidrógeno también puede combustionarse en forma electroquímica o fría. Se hace pasar por un electrodo (material) en donde se facilita su transformación de molécula diatómica en átomo, para posteriormente oxidarse a un
protón en solución. Este protón reacciona rápidamente con aniones oxígeno para dar agua. La electricidad surge directamente, sin necesidad de pasar por intermedio del ciclo calor-trabajo mecánicoelectricidad. La eficiencia del proceso electroquímico puede ser tan alta como 80%, es decir, dos y media veces más eficiente que el motor de combustión, no produce contaminación ambiental y además es un proceso silencioso. Es posible producir también combustión fría de otros compuestos tales como derivados del alcohol. El artefacto que transforma hidrógeno y aire directamente en electricidad se llama pila de combustible y ha sido empleado en todas las misiones espaciales para proporcionar energía a la nave y agua a sus tripulantes. La batería es el pariente más cercano de la pila o celda de combustible. Puede ser recargada por ésta y servir como fuente de alta potencia para un motor eléctrico. Uno de los diseños preferidos para el automóvil eléctrico emplea un sistema híbrido, de batería y pila de combustible. Esta puede ser recargada rápidamente en una estación de servicio y es capaz de suministrar energía por largos períodos de tiempo sin variar mucho su potencia. La batería, en cambio, se demora en cargarse, pero una vez que lo ha hecho puede entregar mucha potencia en cortos períodos de tiempo, imprimiendo de esta manera la aceleración necesaria en los automóviles. La eficiencia de conversión de energía de una batería puede ser cercana a 100%. La batería de plomo ácido, empleada profusamente, tiene un rango de potencia y energía por lo menos tres veces menor que el mejor sistema de batería basada en litio-aluminio-sulfuro de fierro. Este tipo de baterías tiene además una gran aplicación en la nivelación de carga de redes eléctricas, es decir, en el almacenamiento de energía en horas de bajo consumo y en la entrega de esta energía en horas de alto consumo. De esta manera puede disminuir considerablemente el tamaño de la planta de generación de energía eléctrica. El litio también encuentra aplicación en baterías de baja potencia, pero de alta duración y confiabilidad. Estas son por ejemplo las
requeridas en los marcapasos, relojes y otros instrumentos de precisión. Últimamente, se instalaron también baterías de litio en los misiles intercontinentales norteamericanos Minuteman. Los elementos que han sido mencionados explican. en alguna medida, el interés actual en las tecnologías del litio e indican que lo que se logre en Chile en esta materia podría ser de considerable importancia económica en el futuro.
