สำรวจการใช้งานและคุณสมบัติทางเคมีของธาตุลิเทียม

ธาตุลิเทียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวิต แต่นอกเหนือจากการใช้ลิเทียมเป็นวัสดุขั้วบวกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแล้ว คุณรู้หรือไม่ว่าธาตุลิเทียมถูกนำมาใช้ในด้านอื่น ๆ อีกบ้าง บทความนี้จะแนะนำรายละเอียดเกี่ยวกับการใช้ธาตุลิเทียม คุณสมบัติทางเคมีของธาตุลิเทียม และเหตุใดลิเทียมจึงเป็นตัวเลือกแรกสำหรับวัสดุแบตเตอรี่

ความเป็นมาและการใช้งานสำหรับธาตุลิเทียม

นักวิทยาศาสตร์ยกย่องธาตุลิเทียมว่าเป็น “ผงแป้งอุตสาหกรรม” “ดาวพลังงาน” และ “โลหะพุ่งพรวด” เป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและเป็นโลหะสำคัญสำหรับการพัฒนาพลังงานใหม่และวัสดุใหม่

ลิเทียมมีความร้อนจำเพาะและการนำไฟฟ้าสูง เป็นโลหะที่เบาที่สุดในธรรมชาติและเป็นธาตุโลหะอัลคาไลที่มีฤทธิ์มาก เป็นธาตุโลหะอัลคาไลเพียงชนิดเดียวที่สามารถทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนได้ที่อุณหภูมิห้อง ธาตุลิเทียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเสถียรสองชนิด ได้แก่ 63Li และ 73Li ลิเทียมสามารถเก็บไว้ในดินเหนียวหรือพาราฟินเท่านั้น

นอกจากจะเป็นวัตถุดิบที่สำคัญสำหรับการผลิตระเบิดไฮโดรเจน ระเบิดนิวตรอน และระเบิดโปรตอนแล้ว ธาตุลิเทียมยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมแก้วเซรามิก อุตสาหกรรมถลุงอะลูมิเนียม จาระบีที่ใช้ลิเทียม และเครื่องปรับอากาศ (ลิเธียมโบรไมด์) แบตเตอรี่ ยา สารสังเคราะห์อินทรีย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ กลายเป็นวัสดุใหม่ ส่วนสำคัญ

ลิเทียมเป็นโลหะพลังงานเชิงกลยุทธ์ การประยุกต์ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมพลังงานสูงและปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมทำให้ลิเทียมเป็นวัตถุดิบสำคัญในการแก้ปัญหาการจัดหาพลังงานในระยะยาวของมนุษยชาติ การพัฒนาอุตสาหกรรมลิเทียมมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการพัฒนาอุตสาหกรรมการทหาร

ในทศวรรษ 1950 เนื่องจากการพัฒนาระเบิดไฮโดรเจนจำเป็นต้องมีการสกัดไอโซโทปฟิวชัน 6Li อุตสาหกรรมลิเทียมจึงมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว และลิเทียมก็กลายเป็นวัตถุดิบสำคัญสำหรับการผลิตระเบิดไฮโดรเจน ระเบิดนิวตรอน และระเบิดโปรตอน สารประกอบธาตุลิเทียมยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมแก้วเซรามิก อุตสาหกรรมถลุงอลูมิเนียม จาระบีที่ใช้ลิเทียม เครื่องปรับอากาศ ยา การสังเคราะห์สารอินทรีย์ และอุตสาหกรรมอื่น ๆ

การใช้งานธาตุลิเทียม

ด้วยการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างต่อเนื่อง เช่น รถยนต์ไฟฟ้า คอมพิวเตอร์ กล้องดิจิตอล โทรศัพท์มือถือ และเครื่องมือไฟฟ้าเคลื่อนที่ อุตสาหกรรมแบตเตอรี่จึงกลายเป็นพื้นที่ผู้บริโภคลิเทียมที่ใหญ่ที่สุด ตามโครงสร้างการบริโภคลิเทียมทั่วโลก ฟิลด์การประยุกต์ใช้ลิเทียมสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือฟิลด์แบตเตอรี่ลิเธียมและฟิลด์ที่ไม่ใช่แบตเตอรี่ลิเธียม

ลิเทียมส่วนใหญ่ขายเป็นลิเทียมคาร์บอเนต รองลงมาคือ ลิเทียมไฮดรอกไซด์ สารประกอบทั้งสองชนิดนี้มักใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดในการผลิตแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ในปี 2559 โดยได้รับแรงหนุนจากตลาดแบตเตอรี่ลิเธียม ความต้องการสารเคมีลิเทียมของโลกสูงถึง 182,000 ตัน เพิ่มขึ้นประมาณ 14% เมื่อเทียบเป็นรายปี

จากมุมมองของโครงสร้างการบริโภค แบตเตอรี่คิดเป็น 53% จาระบีคิดเป็น 9% เคลือบเซรามิกคิดเป็น 4% กระจกทนความร้อนคิดเป็น 4% เครื่องปรับอากาศคิดเป็น 3% การหล่อแบบต่อเนื่องคิดเป็น 2% หลัก การผลิตอลูมิเนียมคิดเป็น 1% และอื่น ๆ 24% จะเห็นได้จากองค์ประกอบการบริโภคลิเทียมที่กล่าวข้างต้นว่าแบตเตอรี่เป็นพื้นที่การใช้งานลิเทียมที่ใหญ่ที่สุด ในหมู่พวกเขา ลิเทียมสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าคิดเป็นประมาณ 20% ของความต้องการลิเทียมทั้งหมด เพิ่มขึ้น 8 เปอร์เซ็นต์ จาก 12% ในปี 2558

คุณสมบัติทางเคมีของธาตุลิเทียม

ในบรรดาองค์ประกอบโลหะ ธาตุลิเทียมมีฤทธิ์ของโลหะที่แข็งแกร่งที่สุด แอคติวิตีของโลหะหมายถึงระดับความยืดหยุ่นของการแทนที่โลหะ ลำดับการจัดเรียงโลหะขึ้นอยู่กับความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีระหว่างธาตุโลหะกับธาตุอื่นๆ

กิจกรรมของโลหะทั่วไปจากแรงไปอ่อนคือ: โพแทสเซียม (Li), แคลเซียม (Ca), โซเดียม (Na), แมกนีเซียม (Mg), อลูมิเนียม (Al), สังกะสี (Zn), เหล็ก (Fe), ดีบุก (Sn) ), ตะกั่ว (Pb), ทองแดง (Cu), ปรอท (Hg), เงิน (Ag), แพลทินัม (Pt), ทอง (Au)

กิจกรรมของธาตุโลหะถูกกำหนดโดยเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุนั้น สิ่งที่เรียกว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอนนั้นเป็นอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของหลักการนี้ โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งอะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยลง อะตอมก็จะสูญเสียอิเล็กตรอนในระหว่างปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายขึ้น และยิ่งเกิดปฏิกิริยามากขึ้นเท่านั้น

กิจกรรมของโลหะมักอธิบายไว้ในแง่ของอิเลคโตรเนกาติวีตี้ ยิ่งอิเลคโตรเนกาติวีตี้ขององค์ประกอบมีขนาดเล็กลงเท่าใดก็ยิ่งมีความว่องไวมากขึ้นเท่านั้น

กิจกรรมของธาตุลิเทียมมีความแข็งแกร่งมาก สิ่งนี้แสดงให้เห็นความจริงที่ว่าลิเทียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อผลิตออกไซด์หรือเปอร์ออกไซด์ ธาตุลิเทียมทำปฏิกิริยาทางเคมีกับน้ำเพื่อผลิตอัลคาไลและไฮโดรเจน

พื้นผิวของโลหะลิเทียมบริสุทธิ์มีความแวววาวสีขาวเงิน แต่ถ้าวางไว้ในอากาศ พื้นผิวจะกลายเป็นสีเทาอย่างรวดเร็ว เนื่องจากลิเธียมทำปฏิกิริยาทางเคมีกับออกซิเจนและไอน้ำในอากาศ ลิเทียมโลหะสามารถจุดติดไฟได้ในอากาศและสร้างลิเทียมออกไซด์สีขาวหรือลิเธียมเปอร์ออกไซด์สีขาว ลิเทียมออกไซด์มีการใช้งานที่หลากหลายในแก้ว เซรามิก และยา เมื่อใส่ลิเทียมโลหะลงในน้ำ มันจะเกิดปฏิกิริยาเคมีกับน้ำอย่างช้าๆ และทำให้เกิดสารละลายลิเธียมไฮดรอกไซด์ที่ไม่มีสีและก๊าซไฮโดรเจน

ธาตุของฮาโลเจน ได้แก่ ฟลูออรีน (F) คลอรีน (Cl) โบรมีน (Br) ไอโอดีน (I) แอสทาทีน (At) และองค์ประกอบอื่นๆ ธาตุฮาโลเจนสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับโลหะหลายชนิดจนเกิดเป็นเกลือ ธาตุลิเทียมสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับธาตุฮาโลเจนทั้งหมดเพื่อสร้างลิเธียมเฮไลด์ มีการใช้งานที่หลากหลายในด้านเซลล์แสงอาทิตย์และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ธาตุลิเทียมสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับองค์ประกอบฮาโลเจนทั้งหมดเพื่อสร้างลิเธียมเฮไลด์ มีการใช้งานที่หลากหลายในด้านเซลล์แสงอาทิตย์และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ลิเทียมสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับไฮโดรเจนเพื่อสร้างลิเธียมไฮไดรด์ (LiH) คุณลักษณะที่สำคัญของลิเทียมไฮไดรด์คือสามารถทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำในน้ำ และสร้างก๊าซไฮโดรเจนจำนวนมาก รวมถึงลิเธียมไฮดรอกไซด์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

การทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อลิเธียมไฮไดรด์สองกิโลกรัมสลายตัวในน้ำ จะปล่อยไฮโดรเจนออกมาได้ 566 กิโลลิตร ดังนั้นลิเธียมไฮไดรด์จึงถูกเรียกว่า “โรงงานที่ผลิตไฮโดรเจน” ดังนั้นลิเธียมไฮไดรด์จึงสามารถใช้เป็นวัสดุกักเก็บไฮโดรเจนทางเลือกในการเตรียมพลังงานไฮโดรเจนได้

เนื่องจากมีมวลเบากว่าและมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า ลิเธียมจึงมักใช้ในการผลิตโลหะผสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะผสมอลูมิเนียม โลหะผสมแมกนีเซียม โลหะผสมตะกั่ว ฯลฯ

ธาตุลิเทียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโลหะผสมอลูมิเนียม ในโลหะผสมอลูมิเนียม เมื่อปริมาณลิเธียมถึง 2%-4% ความแข็งแรงของโลหะผสมอลูมิเนียมจะเพิ่มขึ้น 10% ในขณะที่น้ำหนักของโลหะผสมอลูมิเนียมจะลดลง 15%-20% ดังนั้นอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีลิเธียมจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ

ในโลหะผสมทองแดง เมื่อปริมาณลิเธียมถึง 2% ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะผสมทองแดงจะดีกว่าทองแดงบริสุทธิ์ และความแข็งแรงจะดีขึ้นเมื่อเทียบกับทองแดงบริสุทธิ์ด้วย

ในโลหะผสมตะกั่ว เมื่อเติมลิเธียม 0.2% ความแข็งของโลหะผสมตะกั่วจะเพิ่มขึ้นสามเท่า ในขณะเดียวกัน ความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการเสียรูปก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน การใช้ลิเธียมแทนดีบุกในโลหะผสมของ Babbitt สามารถเพิ่มจุดหลอมเหลวของโลหะผสม และเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก การใช้ลิเธียมแทนดีบุกในโลหะผสมของ Babbitt สามารถเพิ่มจุดหลอมเหลวของโลหะผสม และเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก

ธาตุลิเทียมมีการใช้มากขึ้นในแบตเตอรี่ลิเธียม จาระบี ยางรถยนต์ อุตสาหกรรมยาง อุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการบิน และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การผลิตโลหะลิเธียมต่อปีก็เติบโตอย่างรวดเร็วเช่นกัน ยังมีพื้นที่อีกมากสำหรับการเติบโตในอนาคต

เหตุใดธาตุลิเทียมจึงเป็นตัวเลือกแรกสำหรับวัสดุแบตเตอรี่

ประการแรก ธาตุลิเทียมมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย ในการเปรียบเทียบ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดและแบตเตอรี่ NiMH แบบเดิมมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่ามาก ความหนาแน่นของพลังงานสูงทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นตัวเลือกในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ รถยนต์ไฟฟ้า และสาขาอื่นๆ

ประการที่สอง แบตเตอรี่ลิเธียมมีอายุการใช้งานยาวนาน เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ แบตเตอรี่ลิเธียมมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าและสามารถทนต่อรอบการชาร์จและคายประจุได้มากกว่า ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ได้อย่างมีเสถียรภาพเป็นระยะเวลานานขึ้น ซึ่งช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนแบตเตอรี่และลดต้นทุนการใช้งาน

นอกจากนี้แบตเตอรี่ลิเธียมยังมีอัตราการคายประจุเองต่ำอีกด้วย การคายประจุเองคืออัตราที่แบตเตอรี่สูญเสียพลังงานเองเมื่อไม่ได้เชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมมีอัตราการคายประจุเองค่อนข้างต่ำ จึงสามารถรักษาพลังงานสำรองไว้ได้เป็นเวลานานแม้ว่าจะไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานก็ตาม นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับพลังงานสำรองหรืออุปกรณ์ในการจัดเก็บข้อมูลระยะยาว

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมก็มีความท้าทายและปัญหาบางประการเช่นกัน ประการแรก ต้นทุนของแบตเตอรี่ลิเธียมค่อนข้างสูง เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบเดิม ต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมจะสูงกว่า ซึ่งยังจำกัดการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมในบางสาขาด้วย

ประการที่สอง ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมก็เป็นปัญหาสำคัญเช่นกัน แบตเตอรี่ลิเธียมอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย หรือแม้แต่ทำให้เกิดเพลิงไหม้หรือการระเบิดเมื่อมีการชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไป คายประจุมากเกินไป หรือเกิดความร้อนมากเกินไป ดังนั้นเทคโนโลยีความปลอดภัยและการจัดการแบตเตอรี่ลิเธียมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความปลอดภัยระหว่างการใช้งาน

อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ทำให้ประสิทธิภาพและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมกลายเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานหลักในรถยนต์ไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ระบบกักเก็บพลังงาน และสาขาอื่นๆ

ในอนาคต เรายังสามารถตั้งตารอที่จะมีนวัตกรรมและการพัฒนาเพิ่มเติมในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมอีกด้วย ตัวอย่างเช่น การเกิดขึ้นของแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตจะช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ต่อไป สิ่งนี้จะนำมาซึ่งโอกาสและพื้นที่มากขึ้นสำหรับการพัฒนาในด้านการขนส่งไฟฟ้าและพลังงานหมุนเวียน

โดยสรุป ธาตุลิเทียมในฐานะสมาชิกของตารางธาตุ มีข้อได้เปรียบเฉพาะในด้านการจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อายุการใช้งานยาวนาน และอัตราการคายประจุเองต่ำ แม้ว่าจะยังคงมีความท้าทายอยู่บ้าง แต่แบตเตอรี่ลิเธียมยังคงเป็นส่วนสำคัญของการพัฒนาที่ยั่งยืนในอนาคต ขอให้เราตั้งตารอที่จะมีความก้าวหน้าและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมเพิ่มเติม ซึ่งจะนำความสะดวกสบายและความเป็นไปได้ในการพัฒนาที่ยั่งยืนมาสู่ชีวิตของเรา