Рынок лития

Свойства и сферы применения лития
Литий и его соединения используются в химических накопителях энергии, при изготовлении керамики и стекла, в металлургии, строительстве; он применяется для производства шин, смазочных материалов, агрохимии, лекарственных препаратов, ароматизаторов, термопар, пиротехники, осветительных приборов, радиоэлектроники и оптики, ракетного топлива; литий используется в лазерной технике, дефектоскопии, промышленных системах кондиционирования воздуха, устройствах очистки и регенерации кислорода, осушения газов, а также в медицине и атомной отрасли. При этом литий используется как в виде металла, так и в форме различных соединений, среди которых наибольшее распространение получили карбонат (Li₂CO₃) и гидроксид (LiOH) лития, применяемые непосредственно или в качестве промежуточных товарных субпродуктов.

В настоящее время литий все больше используется в аккумуляторах, прежде всего литийионных, применяемых в электротранспорте, стационарных (промышленных и бытовых) накопителях энергии и компактных источниках тока для компьютерной и телекоммуникационной техники. Литий повсеместно используется в катодах литийионных аккумуляторов, но также может применяться электролите и в анодах некоторых перспективных видов химических источников тока (см. далее).

В металлургии литий находит применение в качестве легирующей добавки к сплавам для улучшения их качества, а также для получения некоторых металлов. Он используется, в частности, как присадка к электролиту для электрохимического производства алюминия и служит компонентом ряда алюминиевых и иных сплавов, повышающим их механические свойства и устойчивость к коррозии. Литий также может использоваться в составе припоя.

Крупный сегмент рынка лития — производство специальных стекол, термостойкой и прочной керамики, керамических глазурей; для этого нередко применяется непосредственно добываемое сырьевое соединение лития (сподумен) или поставляемый добывающими предприятиями полуфабрикат — карбонат лития. Соль лития и стеариновой кислоты служит основой для производства высокотемпературной смазки. Соли лития также издавна применяются для лечения психических отклонений, в частности для стабилизации состояния пациентов, страдающих маниями, суицидальными расстройствами и т. п.

В атомной отрасли применяются изотопы лития. Семь радиоактивных изотопов этого элемента являются искусственными и ультракороткоживущими (с периодами полураспада меньше 1 секунды) и непосредственно не используются. Важное применение нашли стабильные изотопы лития. Естественный литий состоит из двух таких нуклидов: ⁷Li, составляющего ~92,5%, и ⁶Li с долей 7,5% (в отличие от ряда тяжелых элементов, это соотношение в природном литии заметно разнится). Их ядерно-физические свойства диаметрально противоположны: ⁷Li практически прозрачен для нейтронов, в то время как у ⁶Li сечение поглощения тепловых нейтронов исключительно велико — приближается к 1000 барн. Благодаря этим особенностям стабильные изотопы лития нашли важные, но совершенно различные применения.

Обогащенный по изотопу ⁷Li литий в форме гидроксида используется как один из реагентов, включаемых в теплоноситель для поддержания водно-химического режима легководных реакторов. Литий в небольших концентрациях нейтрализует коррозионную активность борной кислоты, вводимой в состав первого контура РУ для регулирования в начале кампании или аварийного гашения реактивности.

⁷Li в соединении с фтором входит в состав самого распространенного варианта теплоносителя для одного из наиболее перспективных типов реакторов — жидкосолевого (ЖСР). Внедрение таких реакторов, которое рассматривается во многих странах, откроет новую нишу для применения этого изотопа.

⁶Li обладает уникальным для легких элементов свойством делиться под действием тепловых нейтронов с выделением энергии (хотя и в 41−43 раза меньшей, чем у ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Он применяется для получения радиоактивного изотопа водорода — трития, используемого как для изготовления стратегического ядерного оружия, так и в проектах освоения управляемого термоядерного синтеза. ⁶Li может применяться непосредственно в термоядерных зарядах в составе гидроксида с преобладанием второго стабильного изотопа водорода — дейтерия, а также служит основой мишеней, облучаемых в реакторах с целью наработки ³H для его восполнения в ядерном оружии (половина трития распадается за 12,3 года, отчего он постепенно теряет первоначальное качество).

Актуальная ситуация на рынке лития
Преобладающим по объему сегментом рынка лития со стороны предложения является производство аккумуляторов, за ним с большим отрывом следует изготовление керамики и стекол. Все более активное внедрение электромобилей и стационарных накопителей энергии в энергетике и бытовом секторе в сочетании с дальнейшим развитием микроэлектроники стало основным фактором ускоренного расширения мирового спроса на литий примерно с середины прошлого десятилетия: до этого его глобальное потребление укладывалось в 30−35 тыс. тонн в эквиваленте металла, к 2020 году оно превысило 70 тыс. тонн, в 2021 году — 90 тыс. тонн. Сегмент аккумуляторов, 8−10 лет назад занимавший менее 1/3 рынка лития и несколько уступавший силикатной отрасли, все больше расширяется: по данным геологической службы США, он уже составляет свыше 70% глобального спроса на литий. При этом меняется внутренняя структура этой рыночной ниши: с 2015 года спрос на литий со стороны сектора энергетических и транспортных батарей опередил прежде лидировавший сектор аккумуляторов для компьютерной и телекоммуникационной техники; с тех пор преобладание больших батарей усиливается.

Мировая добыча лития с середины прошедшего десятилетия увеличилась в 3 раза и в 2021 году превысила 105 тыс. тонн в эквиваленте металла. В отличие от потребления лития, существенно диверсифицированного по составу участников, мировая добыча Li и производство основных материалов на его основе отличаются крайне высокой концентрацией. Так, более ½ добычи приходится на Австралию, ¼ — на Чили, около 15% - на Китай, 5−6% - на Аргентину; в остальных государствах (США, Бразилия, Португалия, Зимбабве и ряд других) добываются во много раз меньшие или незначительные количества. Еще более высокая концентрация характерна для аффинажа лития и производства товарных субпродуктов на его основе: около 60% объема этого производства приходится на Китай (в том числе ~80% по гидроксиду лития), более 25% - на Чили, порядка 10% - на Аргентину. Велика и концентрация производственной базы: большая часть мировой поставки природного лития осуществляется с девяти добывающих предприятий: четырех в Австралии, трех в Китае и двух в Аргентине и Чили. Столь же высок уровень контроля над рынком на корпоративном уровне: около 2/3 поставок контролирует всего пять компаний: Albemarle (США) — около ¼ рынка; Tianqi Lithium (Китай) и SQM (Чили) — более 1/10 каждая; Mineral Resources (Австралия) и Allkem (Аргентина) — по 6−8%.

Литий — отнюдь не редкий элемент, он входит в несколько десятков наиболее распространенных в земной коре, хотя и следует с большим отрывом за веществами-лидерами (содержание в континентальной коре составляет ~21 грамм на тонну). Литий включен в состав многих пород, но наибольшее практическое значение получили два типа месторождений:

• рудные на основе сподумена — силикатного минерала из группы пироксенов, обычно ассоциируемого с пегматитами;
• гидроминеральные в виде различных рассолов — соляных растворов из соляных озер и подземных водоносных горизонтов, солончаков или геотермальных источников; литий извлекается из них в виде карбоната.

Из упомянутых выше важнейших месторождений лития к рудным относятся четыре в Австралии и одно в Китае; к рассольным — два в Китае и по одному в Чили и Аргентине. Одна из тенденций развития сырьевой базы лития за последнее десятилетие — рост значения добычи рудного сырья, которая обходится дороже, но имеет более короткий инвестиционный цикл, то есть позволяет быстрее вывести на рынок продукцию с нового месторождения, что важно в условиях стремительного роста спроса на литий. Этот сдвиг произошел прежде всего за счет опережающего, четырехкратного увеличения с 2015 года добычи на месторождениях Австралии, благодаря чему этот континент отнял пальму первенства в поставках лития у Южной Америки.

Темпы наращивания мировой добычи лития значительно опережают прирост его запасов (происходящий за счет разведки новых залежей): так, в минувшем десятилетии добыча возросла в 2,5 раза, тогда как запасы — менее чем на 1/3. По запасам лития (глобально — 22,3 млн т) лидируют Чили (45% мирового объема), Австралия (28%), Аргентина (11%) — страны с активной добычей лития и геологоразведкой. Несколько иначе выглядит мировая «табель о рангах» в отношении геологических ресурсов лития, которые в глобальном масштабе оцениваются в 89 млн тонн. Наряду с упомянутыми странами — лидерами добычи лития, такими как Аргентина, занимающая второе место в мире по объему ресурсов лития (19 млн т), Чили (9,8 млн т; 3-е место), Австралия (7,3 млн т; 4-е место), Китай (5,1 млн т; 5-е место), ряд государств, не играющих роли на сегодняшнем рынке лития, располагают тем не менее внушительными ресурсами данного металла. К ним относятся, например, Боливия (21 млн т; 1-е место), Конго (3 млн т; 6-е место), Канада (2,9 млн т; 7-е место).

Особая рыночная ниша, где продукция измеряется граммами и килограммами, — поставка стабильных изотопов лития. При этом ⁶Li является стратегическим сырьем и производится некоторыми государствами в основном для нужд военно-промышленного комплекса, а ⁷Li (возникающий нередко как побочный продукт наработки ⁶Li) рассматривается как сугубо товарный продукт. Хотя принципиально апробировано несколько методов разделения стабильных изотопов лития, ведущим промышленным способом исторически и в настоящее время остается химобменный метод разделения, эффективный для ряда легких нуклидов. В случае лития он заключается в неравномерном распределении ⁷Li и ⁶Li между двумя содержащими этот элемент жидкостями — водным раствором (где повышается концентрация атомов ⁷Li) и амальгамой. Минус этого способа заключается в необходимости обращения с большими объемами ртути и ее паров, утилизации побочных продуктов производства, что сопряжено с рисками для здоровья людей и экологии; отдельной проблемой становится ликвидация наследия от производства, функционировавшего в некоторых странах много десятилетий. Наиболее широкомасштабное производство с использованием подобной технологии осуществлялось в США, где оно впоследствии было закрыто, а также в России, где оно сохранилось на Новосибирском заводе химических концентратов (НЗХК). Порядка 4/5 поставок ⁷Li на мировой рынок ныне осуществляется из России; значительная часть остального приходится на Китай. Таким образом, рынок ⁷Li характеризуется еще большей монополизацией, чем поставка металла природного изотопного состава.

За последние 20 лет уровень цен на природный литий увеличился на порядок; его субпродукты подорожали до нескольких десятков раз. Высокая концентрация производства этого металла и его стандартных соединений дополнительно усиливает чувствительность данного рынка к любым изменениям на стороне спроса и предложения. Трехкратный рост мирового спроса на литий за последние семь-восемь лет отзывается периодическими ценовыми всплесками: так, карбонат лития, стоивший в середине 2010-х годов порядка $ 5 тыс. за тонну, в 2018—2019 годах обходился в $ 12−15 тыс. за тонну, а к середине 2022 года его цена превысила $ 50 тыс. за тонну. Спотовые цены металлического лития временами превышают $ 100 тыс/т. За прошедшие 10 лет литий опережал ряд других видов стратегического сырья по приросту цен и их волатильности; это относится в том числе к основным металлам (таким как медь, никель, кобальт, алюминий), спрос на которые обеспечивается среди прочего в тех же рыночных нишах, что и на литий, — в секторе технологий энергоэффективности и электротранспорта.

Перспективные тенденции рынка лития
Как следует из приведенного выше, рынок аккумуляторов, и прежде всего батарей для электротранспорта и энергетики, стал основной движущей силой спроса на литий, определяющей ряд его количественных и качественных тенденций: по оценке Международного энергетического агентства (IEA), к 2040 году на рынок аккумуляторов будет приходиться до 90% спроса на литий. Стремительный рост рынка батарей, обусловленный, в свою очередь, все ускоряющимся распространением электромобилей и накопительных систем в энергетике, сам по себе увеличивает потребление лития; некоторые же технологические изменения на аккумуляторном рынке дополнительно подхлестывают спрос на этот металл. Потребление лития в этой нише растет опережающими темпами по сравнению с другими основными материалами, используемыми в батареях, — отчасти потому, что применение лития в них безальтернативно: существуют конструкции, например тяговых батарей, лишенные одного-двух обычных материальных компонентов (никеля, кобальта, марганца или графита), но не лития. Более того, в ряде перспективных конструкций аккумуляторов литий находит дополнительное применение. Так, в распространенных сегодня батареях литий используется в катоде и электролите, основой же анода чаще всего служит графит; между тем уже нашли коммерческое применение конструкции аккумуляторов, использующих легчайший из металлов в аноде, например в форме титаната лития. Еще больше возрастет потребность в литии в случае распространения на рынке конструкции, которой прочат большое будущее, — твердотельных аккумуляторов (ASSB), обладающих большей безопасностью и примерно на 2/3 более высокой емкостью. Речь идет о недавно вышедшей на рынок разновидности литийионных батарей, в которых применяется твердый электролит, а литий используется не только в катоде, но и в аноде, причем в последнем — в наиболее концентрированной металлической форме.

Подобные технологии придают дополнительное ускорение рынку лития. Ситуация на нем, в свою очередь, оказывает обратное влияние на рынки аккумуляторов. За прошедшее десятилетие себестоимость литийионных аккумуляторов снизилась примерно на порядок — в основном за счет развития массового производства и совершенствования технологий, а не изменения стоимости материалов (которая в целом росла). Это означает, что доля материалов в цене увеличилась, а следовательно, стала более жесткой связь цены батареи и материалов. В каждой батарее для электромобиля используется 5−15 кг лития (3−6% веса батареи; однако объемная доля лития существенно больше); увеличение стоимости этого металла вдвое вызывает удорожание батареи более чем на 5%. Это служит умеренным стимулом для разработчиков батарей «экономить» литий. Тем не менее потенциал дальнейшего роста спроса на литий в одном только секторе аккумуляторов огромен: в ближайшие десятилетия ожидается расширение рынков электромобилей и стационарных накопителей энергии на порядок. Сообразно этому должен расти и рынок лития. Так, по оценке IEA, для выполнения согласованных на глобальном уровне целей устойчивого развития необходимо за ближайшие 10 лет увеличить потребление лития в 5 раз, а за 20 лет — в 12 раз. И даже продолжение развития глобальной экономики в нынешнем русле (то есть при значительном отставании роста чистых энерготехнологий, в частности, от целей Парижского соглашения по климату) спрос на литий все равно увеличится в течение десятилетия в 2,5 раза, а на протяжении двух десятилетий — в 4,5 раза.

Между тем рынок лития меняется не только количественно, но и качественно, структурно. Так, для производства аккумуляторов электромобилей наиболее широко используется карбонат лития, однако со временем расширяется применение в этом секторе гидроксида лития, необходимого для аккумуляторов с высоким содержанием никеля в катоде. Кроме того, распространение батарей с твердым электролитом расширит применение металлического лития. Увеличение спроса на определенные формы лития требует адаптации производственной базы. В ряде случаев она происходит сама собой: так, упомянутое расширение рудной добычи лития в Австралии благоприятствует наращиванию поставок на рынок гидроксида лития, поскольку при этом типе добычи данное соединение получается по более короткой технологической схеме, чем при разработке рассолов (минуя производство карбоната).

По разным оценкам, при увеличении спроса на литий подобными темпами нынешних возможностей его добычи будет достаточно еще несколько лет; без масштабных инвестиций во второй половине текущего десятилетия может возникнуть дефицит лития. Еще раньше проявится нехватка литиевых соединений, таких как гидроксид. Решить проблему может расширение добывающей и перерабатывающей базы. С середины 2010-х годов наблюдается существенный рост объема инвестиций в проекты по добыче лития, в том числе в сравнении с капиталовложениями в поставку ряда других ключевых металлов, используемых в энергетике. Ведущие поставщики реализуют проекты существенного расширения мощностей. В частности, на крупнейшем в мире предприятии по извлечению лития из рассолов Салар-де-Атакама в Чили (управляемом SQM и Rockwood Lithium) и крупнейшем руднике Гринбушес в Австралии (контролируемом Tianqi Lithium и Talison Lithium) реализуются проекты расширения производства, которые способны увеличить мировую добычу лития более чем на 2/3. Этих и еще нескольких крупных проектов, предполагающих ввод в эксплуатацию новых мощностей в течение ближайших трех лет, хватит для удовлетворения спроса на литий до конца нынешнего десятилетия при его росте примерно текущими темпами. Однако выполнение обязательств Парижского соглашения по климату, которые приняли почти все страны мира, требует ускорения темпов внедрения низкоуглеродных технологий, включая электромобили и накопители энергии. В случае ужесточения во многих странах мер климатической политики с целью наверстать отставание в реализации Парижского соглашения спрос на литий может дополнительно увеличиться, и тогда реализуемых сегодня проектов расширения производства может оказаться недостаточно.

Выходом может стать реализация ряда других проектов, многие из которых пока находятся в стадии рассмотрения; некоторые из них предполагают освоение альтернативных нынешним видов природного сырья и внедрение новых технологий, способных повысить производительность. К последней категории относятся среди прочего прямая экстракция лития из рассолов без их выпаривания (крайне длительного процесса, занимающего больше года при нынешних технологиях); освоение рапы геотермальных источников; извлечение лития из сырья с низким содержанием металла, например из глинистых отложений или отвалов добычи других полезных ископаемых.

Следует ожидать также роста вторичного рынка лития, ныне практически не играющего роли (менее 1% предложения Li), в отличие от сфер поставки некоторых других стратегических материалов. Имеется в виду, например, извлечение лития из отслуживших аккумуляторов, которое сегодня практикуется единичными компаниями в незначительных масштабах, прежде всего в США и Европе. Шансы на расширение «вторички» связаны, в частности, с ожидаемым накоплением огромной массы отработавших батарей по мере быстрого развития электротранспорта и практики аккумулирования энергии в электроэнергетических системах: в ближайшие 10, тем более 20 лет, объем бывших в употреблении батарей увеличится на много порядков, что неизбежно потребует создания полноценной индустрии их утилизации. К решению этой проблемы уже готовятся в ряде государств и регионов. Например, рассматриваемые сегодня в ЕС новые нормы утилизации аккумуляторов предусматривают к концу нынешнего десятилетия при производстве новых батарей довести долю лития из вторичных источников до 4% и обеспечить при этом извлечение не менее 35% этого металла из утилизируемых аккумуляторов, что потребует преодоления ряда технологических трудностей.

Парадоксальным образом рынок лития, служащий развитию чистой энергетики, в то же время сам порождает ряд специфических проблем для экологии и климата. Необходимость утилизации батарей — лишь один из примеров такого рода. Другой заключается в том, что добыча лития несет бóльшие риски, связанные с утечкой токсичных химикатов в окружающую среду, чем поставка ряда других важнейших металлов, используемых в чистых энерготехнологиях. Причем отмеченный выше сдвиг в сторону рудной добычи увеличивает такие риски на порядок в силу технологических особенностей этого производства. Далее, добыча лития из сподумена в несколько раз более энергоемка, чем из рассола (считая затраты искусственных энергоисточников). Наконец, технологии получения лития и его соединений требуют больших объемов воды — более значительных по сравнению с производством ряда других стратегических материалов; при этом в силу необходимости (на месторождениях Южной Америки) или случайности (в Австралии) крупнейшие поставляющие литий предприятия расположены в крайне засушливых районах с ярко выраженным дефицитом водных ресурсов. Водоемкое производство в этих условиях дополнительно нагружает аридную экосистему.

Нет нужды доказывать, что уже произошедший и ожидаемый в дальнейшем многократный рост объемов производства лития, в сочетании с описанными структурными изменениями его производственной базы, дополнительно усиливает все перечисленные проблемы. На фоне ужесточения природоохранного законодательства и норм по эмиссии парниковых газов во многих странах, ведущих, по существу, к дальнейшей монетизации экологических и климатических издержек, эти проблемы станут факторами повышения себестоимости продукции.

Совершенно иные факторы будут определять развитие рыночной ниши изотопов лития, которая практически не зависит от изменения объемов и цен на рынке природного металла и его химикатов. Внедрение жидкосолевых реакторов в значимом масштабе увеличит глобальные потребности в ⁷Li на порядки, что потребует освоения более экологичных методов разделения изотопов лития. Подобные перспективы кроются, возможно, в создании промышленных, коммерческих мощностей изотопного разделения с помощью лазеров (которое намечается в первую очередь в США), реализации химобменной схемы с использованием менее опасных, чем ртуть, жидкостей (возможно, имеющих подобные перспективы органических растворов) или адаптации центрифужных технологий к обогащению лития. Например, Шанхайский институт прикладной физики (SINAP) Китайской академии наук, который отвечает в КНР за программу НИОКР по созданию двух технологических линеек ЖСР, несколько лет назад объявил об успешном тестировании им метода получения концентрированного (до 99,99%) ⁷Li посредством центрифугирования. Внедрение подобного метода в промышленном масштабе — в случае достижения приемлемой себестоимости — позволило бы получить экологически чистую технологию разделения изотопов лития и обеспечило бы ее поставщикам конкурентное преимущество на рынках стран с высокими природоохранными требованиями к источникам поставки.

Итак, рынок лития и материалов на его основе переживает взрывной рост, сопровождаемый значительными ценовыми всплесками и обусловленный появлением в нынешнем веке новых, емких сфер его применения. Однако существующая сырьевая база этого металла, используемые и создаваемые технологии содержат резервы, позволяющие в итоге справиться с растущим спросом как в ближайшей, так и в отдаленной перспективе. В то же время на отдельных этапах развития этого рынка неизбежны временные разрывы между интенсивно и неравномерно растущим спросом и постепенно задействуемыми новыми ресурсами. Вследствие этого уже в нынешнем десятилетии следует ожидать повторения периодов волатильности цен с их кратными колебаниями.