2.1.4. Сплавы лития с металлами

Литий, как было сказано ранее, образует сплавы со многими металлами, из которых наибольший интерес представляют сплавы Li-Al и Li-Mg.

Сплавы Li-Al.В системе Li-Al образуются интерметаллиды AlLi и AlLi₂, предполагается также образование метастабильного Al₃Li. Растворимость лития в алюминии максимальна при температуре эвтектики (600 ºC) и составляет ~30 ат.%, при понижении температуры уменьшается и при 15ºC равна 6,8 ат.%. Растворимость алюминия в литии ничтожна. Интерметаллид AlLi имеет широкую область гомогенности (1,5-56 ат. % Li) (рис. 8). Высокая растворимость лития в алюминии объясняется близостью ионных радиусов и одинаковой структурой (ГЦК). Введение лития сообщает алюминиевым сплавам повышенную коррозионную устойчивость, повышенную пластичность.

Рис. 8. Диаграмма состояния системы Al - Li

Сплавы Li-Mg. В системе Li-Mg образуется один интерметаллид LiMg₂с Т_пл.около 600 ºC и широкой областью гомогенности (29-95 ат. % Li), это объясняется близким значением атомных и ионных радиусов лития и магния. Алюминий и магний являются важнейшими металлами, на основе которых создаются легкие сплавы для авиа-космической техники. Однако магний обладает недостаточной ковкостью, хрупок при низких температурах, что устраняется введением в состав сплава лития (до 4,6 ат. %). В настоящее время литий занимает особое место среди легирующих металлов для магния.

2.2. Важнейшие области применения лития и его соединений

Благодаря своим уникальным свойствам литий играет важную роль в индустриальном развитии современного общества. Области его практического применения, неразрывно связанные с применением высоких технологий, весьма разнообразны и включают:

• производство первичных и вторичных аккумуляторных батарей;

• производство химических компонентов для ядерных энергетических реакторов;

• производство специальных масел и смазок;

• производство стекла, керамики и синтетических волокон;

• производство первичного алюминия;

• металлургию легких конструктивных сплавов;

• производство хладагентов и систем осушки воздуха;

• производство дезинфицирующих средств и др.

Металлургия алюминия.Одна из наиболее важных и традиционных областей применения лития – применение его в электролитическом получении алюминия. Добавка карбоната лития (Li₂CO₃) в электролитическую ванну позволяет снизить температуру плавления электролита, уменьшить выделение фтора, увеличить электропроводность электролита, уменьшить расход анода и криолита (K₃AlF₆) и, следовательно, уменьшить расход электроэнергии, т.е. снизить себестоимость металла. На 1 тонну алюминия расходуется 2,5-3,5 кг Li₂CO₃. Потребление лития растет с каждым годом пропорционально объему мировой добычи алюминия.

Ядерная энергетика– это главная применения лития, делающая его одним из важнейших металлов.

Изотопы ⁶Li и⁷Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и среда их применения различна. Гафнат лития входит в состав специальных ядерных отходов, содержащих плутоний. Изотоп Li-6 применяется в термо-ядерной энергетике. При облучении нуклида⁶Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный изотоп тритий:

+ = + (21)

Благодаря этому ⁶Li может применяться как замена радиоактивного нестабильного и неудобного в обращении трития как в военных (термоядерное оружие), так и в мирных (управляемый термоядерный синтез) целях. В термоядерном оружии обычно применяется дейтерид лития 6LiD.

Изотоп Li-7 используется в ядерных реакторах в качестве теплоносителя (часто в виде сплава с Na или Cs-133) для охлаждения реакторов. Использование лития как теплоносителя основано на том, что он имеет большой диапазон жидкого состояния при малой плотности и высокой теплопроводности. Фторид ⁷Li в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF₂) носит название «флайб» и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосиловых реакторах.

Смазочные материалы.В авиации и военной технике широко применяются литиевые консистентные смазки, содержащие до 10 % стеарата лития. Они сохраняют уникальные физические свойства в температурном интервале от - 50 до + 150 ºC.

Силикатная промышленность.Высококачественные концентраты минералов лития, а также Li₂CO₃, Li₂SiO₃широко используются в производстве стекла и керамики, Добавки лития повышают химическую и физическую устойчивость. Глазури и эмали с добавкой лития более плотны, блестящи, устойчивы к атмосферным воздействиям. Добавки лития используются в производстве стекла для катодно-лучевых трубок, сверхчувствительных, легкоплавких и других специальных стекол. При варке стекла добавки лития снижают температуру плавления и вязкости расплава.

Литий как дегазатор и рафинирующий агент. Так как литий химически активен, его используют для удаления газов из расплавленных металлов. Литий реагирует с водородом, кислородом, серой и азотом. Образующиеся при этом соединения имеют сравнительно низкие плотности и температуры плавления. Это важно для удаления твердых примесей из металла. Металлический литий обычно используют для дегазации меди, в особенности для получения отливок с высокой электропроводностью. Количество добавляемого лития составляет 0,01 % для бронз и 0,02 % для меди с высокой электропроводностью (вес отливки ~90 кг).

Сплавы. Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием, скандием, медью, кадмием и алюминием – новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии и, в перспективе, термоядерной энергетике. Литий эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии. Эффективны стандартные алюминиевые сплавы, дополнительно легированные 1-3 % лития для использования в авиаракетокосмической технике. Пример такого сплава, %: 94,98 Al; 2,2 Li; 2,7 Cu; 0,12 Zr. Плотность таких сплавов меньше плотности стандартных сплавов на 8-12 %, они более устойчивы к коррозии, прочностные характеристики сохраняются или улучшаются. Применение их в самолетостроении позволяет снизить массу самолета на 20 %. Применение этих сплавов сдерживается высокой стоимостью, которая в 6-10 раз выше стоимости конкурирующих композиционных материалов.

Электроника.Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития, LiNbO₃, и танталат, LiTaO₃, являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной и интегральной оптике. На их основе создаются устройства для модуляции и отклонения лазерного луча, устройства для обработки и отображения информации, запоминающие устройства.

Лазерные материалы.Монокристаллы фторида лития используются для изготовления лазеров (КПД 80 %) на центрах свободной окраски и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.

Кондиционирование воздуха.Высокогигроскопичный бромид, LiBr, и хлорид, LiCl, благодаря их способности поглощать дымы, пары H₂O, CO₂, NH₃, органические вещества используют для кондиционирования воздуха в различных помещениях.

Литий-ионные аккумуляторы.Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение практически во всех сферах деятельности человека, начиная от бытовой техники и заканчивая оснащением космического оборудования, став в то же время объектом для исследований в направлении улучшения общей эффективности, долговечности и надежности.

Классический литий ионный аккумулятор состоит из отрицательного графитового электрода (катод), положительного электрода (анод) и электролита, заполняющего пространство между электродами. В зависимости от типа анода литиевые элементы способны создавать напряжение от 1,5 до 3,6В, что выше, чем у любых других элементов. В качестве анода используется, как правило, оксид переходного металла, содержащего литий, например, кобальтит лития, литий-марганцевые шпинели (LiMn₂O₄); в последнее время показана перспективность использования более дешевого LiFeO₄. Аккумуляторы такого типа используются в кардиостимуляторах, в портативных компьютерах. Они имеют большую плотность, чем металлогидридные, и работают без подзарядки в полтора раза дольше. Из рис. 9 видно, что процесс зарядки-разрядки батареи не ограничивается переносом только ионов лития. Одновременно в том же направлении происходит перенос электрона, так что убыль положительного заряда (Li⁺) компенсируется уходом электрона, а прибыль положительного заряда (Li+) на катоде – приходом электрона. Перенос электронов осуществляется по внешнему токопроводу, соединяющих оба электрода. Уравнения основных реакций, протекающих в литий-ионном аккумуляторе:

заряд:

LiCoO₂ – xLi+ – xē → Li_1-xCoO₂ (22)

6C + xLi+ + xē → Li_xC₆ (23)

разряд:

Li_1-xCoO₂ + xLi+ + xē → LiCoO₂ (24)

Рис. 9. Механизм работы литий-ионного аккумулятора

Технология производства литиевых аккумуляторов непрерывно совершенствуется в направлении поиска и усовершенствования материалов электродов и состава электролита.

В 2009 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предложили новую технологию изготовления литий-ионных аккумуляторов, которая позволяет сократить время зарядки батарей с часов и десятка минут до секунд.