Lityum Nedir? Kullanım Alanları ve Geleceği

Lityum 1800 yılında Brezilyalı kimyacı ve iş adamı Jose Bonifacio de Anrda Silva’nın İsveç’te Petalit (LiAlSi4O10) mineralini keşfetmesinin ardından, 1817 yılında Johan August Arfwedson tarafından laboratuvar çalışmaları esnasında keşfedilmiştir. İsmi Yunancada taş anlamına gelen “Lithos” kelimesinden gelmektedir. Periyodik cetvelde 3 atom numarası, 6.941 kütle ağırlığı ve Li sembolü ile yer alan 1A grubu alkali metal bir elementtir. Doğada gümüş ve beyaz renkte bulunmaktadır. Birinci grup elementi olmasına rağmen, aynı zamanda 2A grubu toprak alkali metalik özelliklerini de göstermektedir. Metaller arasında erime noktası en düşük (180°) , alkali metaller arasında ise erime ve kaynama noktası en yüksek metaldir. Lityumun yoğunluğu yaklaşık 0,534 g/cm3’tür ve bilinen iki duraylı izotopu mevcuttur, Li6 ve Li7.
Bütün alkali metaller gibi bir tane değerlik elektronu bulunur. Bu elektronu hemen kaybederek pozitif iyon haline geçme eğilimdedir. Bu sebeplerden ötürü lityum su ile çok kısa sürede reaksiyona girer ve doğada saf halde bulunmaz. Lityum oksijen ve su ile yanması, potansiyel patlama tehlikesine rağmen diğer alkali metallere göre daha az tehlikelidir. Oksijen ile çok hızlı reaksiyona girerek lityum oksiti (LiO2) oluşturur (4). Bununla birlikte, lityum alevlerini söndürmek için özel kimyasallardan oluşan söndürücüler kullanılır.

Dünya Lityum Rezervleri ve Yatak Tipleri

Bu element yer kabuğunda bulunma sıklığı bakımından 25. sırada yer almaktadır. Yeryüzünde lityum konsantrasyonu yaklaşık %0,006 olup, deniz suyunda ise 20 ppm dir. Cevher üretimi ağırlıklı olarak pegmatitler, sedimanter kayaçlar ve tuzlu su rezervuarlarından gerçekleştirilmektedir. Doğada 150’den fazla lityum mineralinin varlığı bilinmesine rağmen, çok az bir kısmı ticari olarak değerlendirebilmektedir. Bunlar; spodümen (LiAl(SiO3)2), lepidolit (KLi2Al(Al,Si)3O10(F,OH)2), petalit (LiAlSi4O10) ve amblygonit (Li,Na)Al(PO4)(F,OH).
Dünya lityum metal rezervi yaklaşık 39 milyon ton olarak tespit edilmiştir. En çok Bolivya, Şili, Arjantin, Çin ve ABD’de bulunmaktadır. Cevherleşmesi üç temel tipdedir. Bunlar; tuzlu su rezervuarları, pegmatitler ve sedimanter kayaçlardır.

Tuzlu Su Rezervuarlarında Yer Alan Oluşumlar

Küresel lityum rezervlerinin %66’sı tuzlu su rezervuarlarında yer almaktadır. Cevher üretiminin büyük bir bölümü de bu yatak tipinden gerçekleştirilmektedir. Lityum içeren tuzlu su rezervuarları temelde kıtasal, jeotermal ve petrol rezervuarları olmak üzere üçe ayrılmıştır. Lityumlu tuzlu su rezervuarları ağırlık olarak Şili, Arjantin, Bolivya, Çin ve Tibet’de yer almaktadır.

Kıtasal Tip Tuzlu Su Rezervuarları

Tuzlu su rezervuarları içerisinde en yaygın tipte olandır. Şili, Bolivya ve Arjantin’de yer alan ve And dağları ile çevrili olan çok zengin lityum rezervlerinin yer aldığı bölgeye lityum üçgeni (Lithium Triangle) adı verilmiştir. Dünyanın en büyük lityum tuz havzası 3.000 km2 büyüklüğü ile Şili’nin kuzeyinde yer alan Salar de Atacama bölgesindedir. Yatağın rezervi ortalama 1400 ppm konsantrasyon ile yaklaşık 6,3 milyon tondur (Resim 2). Bolivya dünyanın en büyük lityum rezervlerine ev sahipliği yapmaktadır. Dünya rezervlerinin yaklaşık %50’si buradadır. Salar de Uyuni yatağı burada yer almaktadır (Resim 3). Yatağın magnezyum/lityum oranı çok yüksektir. Bu oran Atacama yatağının yaklaşık 3 katıdır ve doğrudan buharlaşmayı etkilemektedir. Düşük buharlaşma oranı rafineri sürecini uzatarak, zaman kaybına ve maliyet artışına neden olmaktadır.

Jeotermal Tip Tuzlu Su Rezervuarları

Jeotermal tuzlu su rezervuarları dünya lityum rezervlerinin yaklaşık %3’ünü oluşturmaktadır. Yüksek ısı akısının olduğu bu rezervuarlar lityum, bor ve potasyum elementleri bakımından zengindir. Küçük ölçekli rezervuarlar en iyi örnek Yeni Zelanda’da Wairakei, İzlanda’da Reykanes Field ve Şili’deki El Tatio’dur. ABD’nin Kaliforniya eyaletinin güneyinde bulunan Salton Sea rezervuarı türünün en önemlisidir. Günümüzde bu rezervuarın işletmecisi ters ozmos yöntemini kullanarak rafineri sürecinde gerekli olan doğal buharlaşma aşamasını ortadan kaldırmaktadır. Bu yöntem üretim zamanını ve maliyetini düşürmektedir. 8.000 ton olan yıllık üretimin 2020 yılında 64.000 tona ulaşması beklenmektedir.

Derin Petrol Rezervuarları

Bu tip rezervuarlar Dünya lityum kaynaklarının yaklaşık %3 ünü oluşturmaktadır. Bilinen çok az rezervuar bu tür içerisindedir. Bunlardan en bilineni, Amerika körfez sahilleri Smackover formasyonu içerisinde yer %0,015 konsantrasyon ile 0,75 milyon tonluk rezervuardır. Ayrıca Kuzey Dakota, Wyoming, Oklahoma, Arkansas ve Doğu Teksas’taki derin petrol rezervuarlarında 700mg/lt lityum bulunduğu tespit edilmiştir.

Pegmatit Tip Yataklar

Pegmatit tipi yataklar Dünya lityum rezervlerinin %26’sını oluşturmaktadır. Bu yataklarda konvansiyonel olarak tabir edilen açık ocak ya da yeraltı üretim teknikleri kullanılmaktadır. Tuzlu su rezervuarları ile karşılaştırıldığında pegmatitlerden lityum ekstraksiyonu çok maliyetlidir.  Pegmatitlerdeki lityum konsantrasyonları diğer yatak türlerine göre daha yüksektir. Ayrıca kalay ve tantalın pegmatitlerde yan ürün olarak elde edilmesi üretim maliyetlerini aşağıya çekmektedir. Lityum, pegmatitlerde genellikle spodümen minerali içerisinde bulunmaktadır. Bazen petalit, lepidolit, amibligonit ve ökropit minerallerinde de bulunabilmektedir. Alaska, Kuzey Ontario, Quebec, İrlanda ve Finlandiya’da pegmatit yatakları bulunmaktadır. Dünyanın en büyük pegmatit yatağı %1,6 konsantrasyon ve 560.000 ton rezerv ile Avustralya, Greenbushes’da yer almaktadır.

Sedimanter Tip Yataklar

Dünya lityum rezervlerinin %8’i killerin içerisinde bulunmaktadır. Lityum elementi killerde genelde smektit minerali olarak bulunur. Hektorit minerali de diğer bir yaygın cevher mineralidir. Bu mineral ismini aldığı Kaliforniya’nın Hektor bölgesinde keşfedilmiştir. Mineral lityumun yanı sıra magnezyumca da zengindir. Bilinen büyük yataklar, Nevada Krallar vadisinde %0,27 konsantrasyonlu 48 milyon ton rezervli yatak ve Meksika’nın Sonora bölgesindeki %0,3 konsantrasyonlu 43,3 milyon ton rezerve sahip Sonora yatağıdır.

Türkiye’deki Yataklar ve Potansiyel

Ülkemizde ekonomik değere sahip bilinen herhangi bir lityum kaynağı bulunmamaktadır. Yozgat-Sorgun bölgesinde pegmatitler içinde lepidolitin varlığı bilinmesine rağmen yapılan çalışmalardan önemli sonuçlar elde edilememiştir. Ülkemizdeki bazı göllerde yapılan çalışmalarda Li içeriğinin 40 ppm’i aşmadığı görülmüş olup, Tuz Gölü’nde ise 325 ppm Li tespit edilmiştir. Ancak Tuz Gölü’nün magnezyum içeriği 38.000 ppm’dir. Yine yapılan çeşitli araştırmalar bor sahalarında killer içerisinde 2.000 ppm’e yaklaşan Li içeriğini göstermiştir. Bor madeni çıkarılan Kestelek, Emet, Kırka ve Bigadiç sahalarında yapılan çalışmalar sonucunda, Bigadiç ve Kırka bölgesindeki lityum içeriğinin Kestelek ve Emet bölgesine göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Ülkemizde ve yurtdışında hektorit kilinden, lityum kazanımı ile ilgili yapılan çalışmalar, prosesin ekonomik olmadığını ortaya koymuştur.

Üretim Teknikleri

2014 yılında üretimin küresel ölçekte %6 artış göstererek 36.670 ton olarak gerçekleşmiştir. Özellikle Arjantin ve Şili’de %15 oranında meydana gelen artışın temel sebebi li-on pil üretiminin hammadde ihtiyacını karşılamaya yönelik üretimdir. 1855 yılına kadar lityumun metal olarak sentezi gerçekleştirilememiştir. Robert Bunsen ve Augustus Matthienson lityumun metal olarak eldesini LiCl’ün elektrolizi sonucu elde etmişlerdir. Lityumun yüksek miktarlarda üretimi ise 1900’lu yıllarda spodümen minerali olarak Güney Dakota’daki Etta ocağından çıkarılması ile başlamıştır. Tuzlu su rezervuarları pegmatitlere nazaran daha ekonomik olarak işletilmektedir.
   
2013-2014 yılları ülkelere göre lityum cevheri üretimi
Ülke2013 (ton)2014 (ton)
ABD870900
Arjantin2.5002.900
Avustralya12.70013.000
Brezilya400400
Şili11.20012.900
Çin4.7005.000
Portekiz570570
Zimbabve1.0001.000
Toplam33.94036.670
 
Pegmatitlerden gerçekleştirilen üretim geçmişte piyasayı domine etmiş olsa da, günümüzde Latin Amerika’da yapılan tuzlu su rezervuarlarından yapılan üretim öne geçmiştir. Bu tip yataklardan lityum kazanımı için gerekli olan lityum içeriği, pegmatitlere ve killere göre çok daha azdır. Ancak tuzlu su rezervuarlarında lityum kazanımı için en önemli parametre Mg/Li oranı olup, bu oranın en çok 6:1 olması istenmektedir. Bu oran yükseldikçe, proses maliyeti de artmaktadır.
Lityumun sanayi için kullanılan en önemli bileşiği Li2CO3 olup, hem pegmatitler hem de tuzlu su rezervuarlarında elde edilmektedir. Lityum, sülfürik asit ile reaksiyona sokularak lityum sülfat (Li2SO4) elde edilir. Elde edilen bu çökelek, çözeltiden ayrılarak sodyum karbonat (Na3CO3) ile yıkanır. Böylece suda çözünmeyen lityum karbonat (LiCO3) elde edilir. Havuzlarda buharlaşması için bir yıl bekletilen bu ürün, yoğunlaştırıldıktan sonra kamyonlarla rafinerilere taşınarak daha da saflaştırılır, daha sonra kurutulmak suretiyle lityum karbonat kristal granüllerine dönüştürülür ve beyaz un hâlinde paketlenip, satışa hazır duruma getirilir.
Li2CO3 üretiminde ise Salar de Atacama’daki tuzlu su rezervuarından üretim gerçekleştiren SQM Chemicals ilk sırada yer almaktadır. Spodümen minerali rezervuardan çıkarılıp kırıldıktan sonra, flotasyon yöntemiyle zenginleştirilerek konsantre cevher elde edilmektedir. Konsantre cevher 1100°C’de kavrularak, mineralin kristal yapısı değiştirilmekte ve böylece sülfürik aside karşı daha reaktif hale gelmektedir. Dönüşmüş spodümen ile sülfürik asit 250°C’ye ısıtılarak, lityum sülfat elde edilmektedir. Su ile liç işlemiyle çözeltiye alman lityum soda külü (Na2CO3) ile reaksiyona sokularak Li2CO3 çöktürülmektedir.
 
Li2SO3 + Na2CO3 → Na2SO4 + Li2CO3 (katı)
 
Elde edilen Li2CO3 çökeleği HCl ile reaksiyona sokularak LiCl elde edilir.
 
Li2CO3 + 2 HCl → 2 LiCl + CO2 + H2O
 
LiCl erime noktası 600 °C den fazla olduğu için elektroliz ile saflaştırılması zor olduğundan LiCl (55%) ve KCl (45%) karışımı kullanılarak erime noktası 430 °C’ye düşürülür. Bu karışımın elektrolizi ile Li saf olarak elde edilir.
Salar de Atacama’daki üretimde lityum içeren rezervuarda, 30 m derinlikteki kuyulardan pompalanıp, güneş enerjisi ile buharlaştırma yapılarak iyon konsantrasyonu artırılmaktadır. Daha sonra CaCl2 katılarak sülfat iyonunun jips olarak çökmesi sağlanmaktadır. Magnezyum, potasyum ve sodyumun sülfat olarak çökmeleri sağlandıktan sonra, tikner ve santrifüj yöntemiyle çok daha yoğun lityum içeren çözelti elde edilmektedir. Bu çözeltinin lityum içeriği %4-6 arasına kadar artırılmış olup, içinde safsızlık olarak bor ve magnezyum içermektedir. Li2CO3 çöktürülmeden önce bor uzaklaştırılır ve magnezyumda kireç ve soda külü ile yapılan iki aşamalı çöktürme işlemi ile prosesten ayrılır. İyice saflaştırılmış çözelti doygun soda külü ile reaksiyona sokularak Li2CO3 çöktürülür. Salar de Atacama’daki gölün Mg:Li oranı 6,4 olmasına rağmen, lityum içeriğinin çok yüksek olması ve bölgenin kurak olmasından dolayı buharlaştırmanın kolayca sağlanması nedeniyle proses çok ekonomiktir.

Kullanım Alanları

2000’li yılların başından itibaren lityum tuzları enerji endüstrisi için önemli bir girdi kalemi haline gelmiştir. Lityum karbonat ve hidroksitler Li-ion pil üretimin temel yapı maddesidir. Günümüzde bu pil türleri yeniden doldurulmaya elverişlilik ve yüksek enerji depolama kabiliyetleri sebebiyle Ni-Cd pillerin hızla yerini almaktadır. Mobil telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, tablet bilgisayarlar, navigasyon cihazları ve benzeri tür elektronik cihazlarda güç gereksinimini karşılamakta olan lityum cevheri, elektrik ile çalışan araçlarda güç sağlamaya başlamıştır.
Lityumun kullanım alanı sadece enerji endüstrisi ile sınırlı değildir, ağır iş makinelerinde kullanılan lityumlu gres yağı yüksek sıcaklıklara ve suya karşı dayanıklılık sağlar. Seramik yer ve duvar karoları üretiminde toksik materyallerin yerini almaktadır. Alüminyum üretiminde, endüstriyel cam yapımında, nükleer santrallerde soğutucu olarak ve roketlerde itici kuvvet sağlamak amacı ile kullanılmaktadır.
 Lityum Metalinin Kullanım Alanlarına Göre Dağılımı
Kullanım alanıYüzde
Seramik ve cam sanayi35
Pil üretimi31
Gres yağı8
İklimlendirme6
Polimer üretimi5
Alüminyum üretimi1
Diğer15
 
Bu kullanım alanlarına ek olarak, Li+ iyonunun nörolojik etkilerinden ötürü, farmakolojik olarak sakinleştiricilerde kullanılmaktadır. Normalde lityumun insan vücudunda bilinen bir fonksiyonu olmamasına rağmen, ilâçlarda kullanılan lityumun, sodyumun hücre içine girişini engellediği ve sinir iletiminin doğal dengesini korumaya yardımcı olduğu bilinmektedir. Bu nedenden ötürü lityum esaslı ilâçlar, beyin hücrelerine etkilerinden dolayı kullanılmaktadır. Bu ilâçlar, psikiyatride hem manik hem de depresif dönemleri içinde bulunduran, bipolar bozukluk adı verilen hastalığın tedavisinde kullanılmaktadır. Ülkemizde yaklaşık 30.000 hasta tarafından lityum esaslı ilâçlar kullanılmaktadır.

Arz – Talep Dengesi

Li-ion pilleri kullanılan elektronik cihaz ve otomobillerin sayısının artış eğilimi hızlı olması lityum elementinin üretimine yönelik artışı neden olmaktadır. 2015 yılında pazarın büyüklüğünün 21,6 milyar US$ olacağı öngörülmektedir. %99,5 saflıkta lityum karbonat (LiCO3) pazar fiyatı 6.500 US $/ton, %99,99 saflıktaki ürünün fiyatı ise yaklaşık 15.500 US $/ton dur. Sektörün en büyük üreticilerinden olan Tesla 2016 yılının son çeyreğinde ABD’nin Nevada eyaletinde devreye alacağı Gigafactory yatırımının hayata geçmesinin ardından arz-talep eğrisi talep yönüne kayarak ağır basmaya başlayacak ve arz sıkıntıları gündeme gelecektir. Bahse konu otomotiv ve enerji yatırımcısı, Çin Halk Cumhuriyeti’nde sadece kendi lityum ihtiyacını karşılamak için lityum madenciliğinde faaliyet gösteren yatırımcılar ile ortalık kurma çabasındadır.

Sonuç ve Öneriler

Li-ion pil kullanan elektronik cihazlar ve otomobiller her geçen gün daha çok enerjiye ihtiyaç duymaktadırlar. Sürekli artan enerji depolama ihtiyacı daha çok pil üretimine sebep olacağı ve pillerin yapımında kullanılan bu metale olan talebi artıracağı çok açıktır. Arz-talep dengesizliklerinin yaşandığı madenlerde pazar fiyatları genel olarak artış trendi içerisinde olmaktadır. Lityum metali de bu klasman içerisinde hızla yerini almaktadır. Pek çok maden yatırımcısı için değerlendirilmesi gereken bir cevher haline gelmiştir. Geleceği çok parlak olan bu metal üzerine ülkemizde geçmiş yıllarda gerçekleştirilen jeolojik araştırmaların tekrar gözden geçirilerek artan lityum fiyatları yardımı ile detaylı jeolojik prospeksiyon ve potansiyel sahalar ile ilgili çalışmalar yapılmasının yerinde olacağı düşünülmektedir. Ülkemiz potansiyelinin bir önce ortaya konulmasında fayda vardır.
08 May 2019
08 May 0 33
Comment's:
Write your own Comment's