El descubrimiento del litio
El litio se identificó por primera vez en 1817. Es uno de los muchos hallazgos de la edad de oro del descubrimiento de elementos. En 1800, el científico brasileño José Bonifácio de Andrada e Silva (1763-1838) descubrió en la isla de Utö, Suecia, dos nuevos minerales, bautizados petalita y espodumena. Pero no fue hasta 1817 cuando el científico sueco Johan August Arfvedson (1792-1841), que trabajaba en los laboratorios del barón Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), célebre químico y profesor de medicina y farmacia, pudo resolver los problemas relativos a las diferencias inexplicables en los análisis de estos minerales.
Arfvedson aisló un sulfato que no contenía ninguno de los metales alcalinos o alcalinotérreos conocidos. Este nuevo elemento terminó siendo bautizado “litio”, derivado de “lithos”, que significa “piedra” en griego. Con el descubrimiento de este nuevo elemento, se llenó otro vacío en la tabla periódica. Debido a su alta reactividad, el litio metálico no se encuentra de forma natural. Trazas de este elemento están presentes en casi todos los minerales, salmueras y arcillas, así como en el agua de mar. La corteza terrestre contiene, en promedio, unas 20 partes por millón (ppm) o 0,0020 % de Li, y el agua de mar suele contener 0,18 ppm (0,000018 %).
Minerales de litio
La mina Greenbushes de Talison Lithium (imagen cortesía de Tianqi Lithium)
Los minerales de litio se encuentran principalmente en pegmatitas graníticas, rocas ígneas de grano grueso compuestas principalmente de cuarzo, feldespato y mica; la espodumena y otros minerales de litio se encuentran como minerales accesorios. Las pegmatitas con contenido de litio suelen ser bien zonadas, y los minerales de litio suelen aparecer por la sección central de la pegmatita. Los minerales de tantalio, estaño y berilo, si están presentes, suelen encontrarse en la periferia.
Los principales minerales con contenido de litio que se encuentran en las pegmatitas son la espodumena, la petalita, la lepidolita, la ambligonita/montebrasita y la eucriptita. Las concentraciones típicas de litio en las pegmatitas oscilan entre un 1 % y más del 4 % de Li2O. La espodumena es el mineral con contenido de litio más importante en términos de producción, porque los yacimientos son de gran tamaño, su contenido de litio es relativamente alto (véase el Cuadro 1) y los minerales son comparativamente fáciles de procesar.La espodumena fue la principal fuente de litio para la producción de carbonato de litio hasta mediados de los años 1990. La petalita y la lepidolita también se recuperan en cantidades económicas.
En la actualidad, Australia Occidental, China y Zimbabue son los principales procesadores y proveedores de estos minerales de roca dura.
Cuadro 1: Principales minerales de litio |
Mineral | Fórmula | Contenido teórico de Li2O (%) | Contenido típico de Li2O (% en peso) |
Petalita | Li2O.Al2O3.8SiO2 / LiAl(Si4O10) | 4.5 | 3.0-4.5 |
Espodumena | Li2O.Al2O3.4SiO2 / LiAl(Si2O6) | 8.03 | 1.0-7.0 |
Ambligonita | (Li,Na)Al(PO4)(F,OH) | 10.1 | 8.0-9.0 |
Lepidolita | K(Li,Al)3(AlSi4O10)(OH,F)2 | 4.1 | 3.0-4.0 |
Eucriptita | Li2O.Al2O3.2SiO2 / (LiAl(SIO4) | 11.9 | 5.0 |
Zinnwaldita | KLiFeAl(ALSi3)O10(F,OH)2 | 3.41 | 2.0-5.0 |
Fuente: Lithium: Production and application of a fascinating and versatile element, Chemetall GmBH, Jurgen Deberitz
La espodumena es un mineral de aluminosilicato de litio. A cerca de 1080 ºC, sufre una transformación irreversible a la fase beta tetragonal y presenta un coeficiente de dilatación térmica muy bajo. Este cambio va acompañado de un aumento del 30 % del volumen y una caída de la densidad relativa de 3,2 a 2,4.
La petalita también es monoclínica y, cuando se calienta, se convierte en cuarzo de beta-espodumeno en la fase de solución sólida. Es especialmente útil para su aplicación directa en la industria del vidrio debido a su bajo contenido en hierro.
La lepidolita es una mica de litio compleja y monoclínica. Solía ser el mineral de litio más utilizado, pero la demanda ha disminuido debido a su importante contenido en flúor.
La piedra semipreciosa kunzita es espodumena químicamente pura. Su color rosa se debe a trazas de manganeso. Otra variedad es la hiddenita, de color verdoso (impurezas de cromo).
Salmueras de litio
La salmuera del Salar de Atacama (imagen cortesía de SQM)
Hay altas concentraciones de litio en las salmueras de numerosos salares de América del Norte y del Sur y de China. El litio también se encuentra en las salmueras de ciertas zonas de actividad geotérmica, como el oeste de Estados Unidos, Europa, Nueva Zelanda e Islandia, así como en ciertas salmueras de yacimientos petrolíferos. El agua de mar contiene litio, pero en concentraciones muy bajas. Solo algunos mares cerrados, como el Mar Muerto, que tiene poca afluencia y tasas de evaporación elevadas, presentan concentraciones más altas de litio, aunque siguen siendo muy inferiores a las de los salares.
Las salmueras de litio de los salares son también una fuente importante de compuestos de litio. El litio se extrajo comercialmente por primera vez en 1966, en las salmueras del yacimiento de Silver Peak, EE. UU., aunque entre 1936 y 1978 también se extrajo como subproducto de la producción de potasio en Searles Lake, también en EE. UU. En 1969, el Instituto de Investigaciones Geológicas de Chile identificó concentraciones inusualmente altas de potasio y litio en el Salar de Atacama, en el norte del país y, en 1986, tras realizar mucha investigación y desarrollo, la Sociedad Chilena de Litio (SCL) comenzó la producción comercial de carbonato de litio del Salar de Atacama. En 1994, Foote Mineral Company (FMC) inició la producción de cloruro de litio en el Salar del Hombre Muerto, en Argentina, seguida poco después por la producción de carbonato de litio por la Sociedad Química y Minera de Chile (SQM) en el Salar de Atacama, en 1995. La explotación de recursos de salmuera de litio en las provincias chinas de Qinghai y Tíbet comenzó a principios de los años 2000.
Los salares son grandes lechos lacustres secos en los que las salmueras se encuentran justo debajo de una capa de depósitos de sal encostrada. Las sales que contienen litio se concentran con el tiempo hasta alcanzar niveles de 200 ppm a más de 2000 ppm. Las salmueras de litio surgen en salares que se han formado como cuencas de drenaje cerradas o restringidas, donde la tasa de evaporación es superior a la precipitación. La mayoría de estas cuencas se encuentran a gran altitud en grandes cadenas montañosas, como los Andes. La mayoría de los salares tienen una costra de sal que contiene partes de arena, arcilla y otros minerales; la costra de sal es porosa y los intersticios contienen las salmueras.
El lago salado de Zabuye, en el Tíbet (China), es interesante porque es el único lugar conocido donde se precipita de forma natural la zabuyelita, un carbonato de litio natural.
Se ha investigado y se sigue investigando la producción de litio a partir del agua de mar, las salmueras geotérmicas y las salmueras de yacimientos petrolíferos.
El contenido de litio de las salmueras subterráneas es bajo, pero muy grande, y existen importantes reservas de litio en los mares de todo el mundo, si bien en concentraciones muy bajas. Además, se han identificado y explotado pegmatitas que contienen minerales de litio en Francia, India, Mozambique, Suecia y Ucrania, pero faltan datos sobre las reservas de estos y otros yacimientos. El aumento del consumo y de los precios de los productos de litio ha impulsado la exploración y evaluación de nuevos yacimientos de litio, por lo que los datos sobre reservas de litio podrían revisarse nuevamente en el futuro.
Arcillas de litio (hectorita)
Proyecto Thacker Pass de Lithium Americas (imagen cortesía de Lithium Americas)
La hectorita – (Mg,Li)3Si4O10(OH)2NaO.3(H2O)4 – es una montmorillonita de litio, magnesio y sodio que suele contener entre un 0,3 % y un 0,6 % de Li. Existen numerosos yacimientos de hectorita en Nevada, California, Utah, Oregón, Wyoming, Arizona y Nuevo México, en Estados Unidos. La hectorita es única por tratarse de un mineral de arcilla de montmorillonita de litio autígeno comercial de origen teletermal. Modifica los sistemas líquidos hasta convertirlos en una estructura gelatinosa gracias a sus propiedades de dispersabilidad, suspensión y espesamiento.
Reservas y recursos de litio
Gracias a la exploración constante, en los últimos años han aumentado considerablemente los recursos de litio identificados en todo el mundo. El Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) estima los recursos totales de litio identificados en más de 86 millones de toneladas (Mt), que equivalían a 454,5 Mt de carbonato de litio equivalente (LCE) en 2020, y reservas por un total de 21 Mt de Li (111,8 Mt de LCE) (véase el cuadro 2).
Cuadro 2: Producción minera (2020), reservas y recursos de litio en toneladas (USGS) |
País | Producción | Reservas[nota 1] | Recursos |
Argentina | 6,200 | 1,900,000 | 19,300,000 |
Australia | 40,000 | 4,700,000 | 6,400,000 |
Austria | – | – | 50,000 |
Bolivia | – | – | 21,000,000 |
Brasil | 1,900 | 95,000 | 470,000 |
Canadá | 0 | 530,000 | 2,900,000 |
Chile | 18,000 | 9,200,000 | 9,600,000 |
República Popular de China | 14,000 | 1,500,000 | 5,100,000 |
Chequia | – | – | 1,300,000 |
República Democrática del Congo | – | – | 3,000,000 |
Finlandia | – | – | 50,000 |
Alemania | – | – | 2,700,000 |
Ghana | – | – | 90,000 |
Kazajistán | – | – | 50,000 |
Mali | – | – | 700,000 |
México | – | – | 1,700,000 |
Namibia | – | – | 50,000 |
Perú | – | – | 880,000 |
Portugal | 900 | 60,000 | 270,000 |
Serbia | – | – | 1,200,000 |
España | – | – | 300,000 |
Estados Unidos | 870[note 2] | 750,000 | 7,900,000 |
Zimbabue | 1,200 | 220,000 | 500,000 |
Total mundial | 82,000 | 21,000,000 | 86,000,000+ |
Nota 1: 6 de noviembre de 2011. Según las definiciones del USGS, la base de reservas “puede abarcar las partes de los recursos con potencial razonable de quedar económicamente disponibles dentro de horizontes de planificación más allá de los que suponen una tecnología comprobada y la economía actual”. La base de reservas incluye los recursos que actualmente son económicos (reservas), marginalmente económicos (reservas marginales) y algunos de los que actualmente son subeconómicos (recursos subeconómicos)”
Note 2: en 2013
Mapa de recursos de litio
Mapa de recursos de litio
Aplicaciones en baterías
El litio puede procesarse para formar diversos productos químicos, como carbonato de litio, bromuro de litio, cloruro de litio, butil-litio e hidróxido de litio. El mercado más grande del mundo para litio, y el que más rápido está creciendo, son las baterías.
BATERÍAS
Los dos tipos principales de baterías de litio son:
Primarias (pilas no recargables): incluidas las pilas de botón o cilíndricas utilizadas en calculadoras y cámaras digitales. Las pilas de litio tienen una mayor densidad energética que las alcalinas, un peso reducido y una larga vida útil y de funcionamiento.
Secundarias (baterías recargables): las principales aplicaciones actuales de las baterías de litio son la movilidad eléctrica, la alimentación de teléfonos móviles, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos de mano, las herramientas eléctricas y las baterías de gran tamaño para la estabilización de tendidos eléctricos. Las ventajas de las baterías secundarias de litio son su mayor densidad energética y su menor peso en comparación con las baterías de plomo ácido, níquel-cadmio y níquel-hidruro metálico.
Las baterías de litio se utilizan cada vez más como fuente de energía para una amplia gama de vehículos eléctricos, como bicicletas y scooters eléctricos, autobuses, taxis, camiones y vehículos eléctricos para pasajeros. Hay tres categorías principales de vehículos eléctricos para pasajeros: híbridos eléctricos, híbridos enchufables y a batería.
Los gobiernos de todo el mundo apoyan firmemente la electrificación de los vehículos debido a la creciente atención de los políticos y de los consumidores al cambio climático y la seguridad energética. La introducción de vehículos eléctricos de pasajeros producidos en masa podría aumentar considerablemente el consumo de litio en el futuro.
Otras aplicaciones químicas
Los productos químicos de litio también tienen muchas aplicaciones:
- Tratamiento del aire: el litio puede utilizarse como medio de absorción para sistemas de refrigeración industrial y para sistemas de control de humedad y de secado.
- Fundición de aluminio: la adición de litio durante la fundición del aluminio reduce el consumo de energía, aumenta la conductividad eléctrica del baño y reduce las emisiones de flúor.
- Aleaciones de aluminio-litio (Al-Li): las aleaciones de Al-Li son más ligeras que las aleaciones convencionales de aluminio de alta resistencia y pueden utilizarse para fabricar aviones.
- Materiales de construcción: el carbonato de litio puede utilizarse en cementos y morteros de fraguado rápido (por ejemplo, morteros autonivelantes para pisos).
- Vidrio: el óxido de litio puede utilizarse para crear productos de vidrio de alta durabilidad en los casos en los que la resistencia al choque térmico sea importante.
- Lubricantes: el litio se utiliza como espesante en grasas para garantizar el mantenimiento de las propiedades lubricantes en una amplia gama de temperaturas.
- Productos farmacéuticos: el litio se utiliza en el tratamiento del trastorno bipolar, así como en otros productos farmacéuticos.
Aplicaciones técnicas
VIDRIO Y CERÁMICA
Vidrio: incluidos el vidrio para envases, el vidrio plano, el vidrio farmacéutico, vidrios especiales (utilizados en pantallas táctiles) y la fibra de vidrio. Estos productos de vidrio pueden diseñarse para ofrecer durabilidad o resistencia a la corrosión o para su uso a altas temperaturas, en los casos en los que la resistencia al choque térmico sea importante. La adición de litio aumenta la velocidad de fusión del vidrio y reduce la viscosidad y la temperatura de fusión, lo que proporciona un mayor rendimiento, ahorra energía y resulta ventajoso para el moldeo.
Cerámica: incluidos cuerpos cerámicos, fritas, esmaltes y utensilios de cocina de cerámica refractaria. El litio reduce las temperaturas de cocción y la dilatación térmica y aumenta la resistencia de los cuerpos cerámicos. La adición de litio a los esmaltes mejora la viscosidad para el recubrimiento, así como el color, la resistencia y el brillo del esmalte.
Aplicaciones especiales: incluidas las placas de inducción y los utensilios de cocina. El coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo del litio hace que estos productos sean resistentes a los choques térmicos y les confiere resistencia mecánica.
OTRAS APLICACIONES TÉCNICAS
El litio también tiene una amplia gama de aplicaciones metalúrgicas:
- Fundiciones de acero: la adición de litio a los fundentes de los moldes ayuda a proporcionar aislamiento térmico y lubrica la superficie del acero en el proceso de colada continua.
- Fundiciones de hierro: en la producción de piezas de fundición de hierro, como los bloques de motor, el litio reduce el efecto de veteado, con lo cual disminuye la cantidad de coladas defectuosas.
