Carbonato di litio

Il carbonato di litio è il sale di litio dell’acido carbonico ed ha formula Li₂CO₃. Trova utilizzi sia in campo medico che in campo industriale e, in particolare nell’ottenimento delle batterie a ioni litio. Per l’ottenimento di tali batterie, presentate per la prima volta in commercio dalla Sony nel 1991, la cui produzione di massa dipende da alcuni componenti chimici chiave, di cui uno essenziale è il carbonato di litio.

Questo composto svolge un ruolo indispensabile come precursore chimico utilizzato nella produzione di componenti integrali per le batterie agli ioni di litio. Durante il processo di fabbricazione di queste batterie  il carbonato di litio subisce una serie di reazioni chimiche volte a produrre l’esafluorofosfato di litio LiPF₆ che facilita il trasferimento degli ioni di litio dall’anodo al catodo e il catodo stesso, che è composto da uno dei vari composti litiati, tra cui in particolare l’ossido di litio e cobalto LiCoO₂, che si ottiene tramite calcinazione del carbonato di litio ad alta temperatura.

Le proprietà uniche del carbonato di litio lo rendono la scelta preferita nella produzione di batterie infatti esso è ampiamente disponibile, il che lo rende più pratico ed economico rispetto a molte delle sue alternative. Inoltre, la sua stabilità chimica garantisce che possa resistere a rigorosi processi di produzione senza comprometterne l’integrità, gli consente di trovare applicazione in un ampio spettro di tecnologie di batterie al litio, comprese le batterie al litio-ferro-fosfato.

Solubilità del carbonato di litio

Rispetto ai carbonati dei metalli alcalini e alcalino-terrosi, il carbonato di litio ha una solubilità minore a causa delle piccole dimensioni del raggio ionico del litio infatti il valore del prodotto di solubilità è pari a 2.5·10^–2

L’equilibrio eterogeneo di dissoluzione del carbonato di litio è:
Li₂CO_3(s) ⇄ 2 Li⁺_(aq)+ CO₃^2-_(aq)
L’espressione del prodotto di solubilità è:
K_ps = [Li⁺]²[CO₃^2-]

Detta x la solubilità all’equilibrio si ha: [Li⁺] = 2x e [CO₃^2-] = x
sostituendo nell’espressione del prodotto di solubilità si ha:
K_ps = 2.5·10^–2 = (2x)²(x) = 4x³

Da cui x = solubilità molare = ∛2.5·10^–2/4 = 0.18 mol/L
Ricordando che la massa molecolare del carbonato di litio è pari a 78.89 g/mol la solubilità, espressa in g/L è pari a (0.18 mol/L)( 78.89 g/mol) = 14 g/L

Sintesi 

Viene in genere prodotto a livello industriale dall’estrazione da fonti minerali di pegmatite come spodumene, litiofillite o lepidolitee da salamoie contenenti ioni litio, come quelle trovate nel Salar de Atacama in Cile, Silver Peak Nevada, Salar de Uyuni in Bolivia o Salar de Hombre Muerte in Argentina o da salamoie geotermiche.

Il carbonato di litio ad elevato grado di cristallinità è stato recentemente sintetizzato tramite un nuovo approccio che utilizza la tecnica di irradiazione laser pulsata (PLI) senza alcun utilizzo di agenti precipitanti a partire da litio e carbonato.

Può essere ottenuto dalla reazione tra idrossido di litio e carbonato di sodio in acqua in cui la miscela viene riscaldata, preferibilmente ad una temperatura compresa tra circa 90°C e 95°C, sotto agitazione:
2 LiOH + Na₂CO₃ → Li₂CO₃ + 2 NaOH

Può essere ottenuto dalla reazione tra cloruro di litio e carbonato di sodio:
2 LiCl + Na₂CO₃ → Li₂CO₃ + 2 NaCl

Reazioni

Come tutti i carbonati reagisce con acido cloridrico per dare cloruro di litio, biossido di carbonio e acqua:
Li₂CO₃ + 2 HCl → 2 LiCl + CO₂ + H₂O
Reazione analoga avviene in presenza di acido nitrico.

Reagisce con biossido di carbonio e acqua per dare il carbonato acido di litio:
Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2 LiHCO₃

In acqua dà idrolisi basica derivando da una base forte LiOH e un acido debole H₂CO₃. Alle alte temperature dà luogo a decomposizione termica con formazione di ossido di litio e biossido di carbonio:
Li₂CO₃ → Li₂O + CO₂

Uso in campo medico

Il carbonato di litio è un farmaco antimaniacale, solitamente usato come stabilizzatore dell’umore e per la mania acuta nelle persone con disturbo bipolare. È di uso limitato in altri disturbi psichiatrici come l’aggressività patologica, sebbene un ulteriore beneficio possa includere anche una riduzione del suicidio effettivo o tentato.

Si presume che il litio alteri il trasporto di ioni sodio nei neuroni, influenzando così il contenuto intercellulare di catecolamine, normalizzando lo stato mentale e non causando letargia generale.  A livello neuronale, il litio riduce la neurotrasmissione eccitatoria (dopamina e glutammato) ma aumenta quella inibitoria (GABA)

Il litio prende di mira i sistemi di secondi messaggeri che modulano ulteriormente la neurotrasmissione. Ad esempio, gli effetti del litio sui percorsi dell’adenil ciclasi e della fosfo-inositide, così come sulla proteina chinasi C, possono servire a smorzare la neurotrasmissione eccitatoria eccessiva.  Sono comparsi nuovi utilizzi nel trattamento di malattie virali, tra cui l’AIDS e l’alterazione della risposta immunitaria.

Usi

Oltre che nelle batterie a ioni litio, il carbonato di litio è usato insieme ad altri carbonati di metalli alcalini per produrre rilevatori di anidride carbonica, che sono dispositivi potenzialmente salvavita, ma sono anche ampiamente utilizzati nel mondo industriale.

Il carbonato di litio è utilizzato nell’ambito dell’industria e della raffinazione dell’alluminio. Il metallo si ottiene dalla bauxite che contiene allumina, silice e altri componenti pertanto nel processo di raffinazione dell’alluminio, verrà prodotta una grande quantità di scorie.

Può reagire con la silice nelle scorie per generare silicato di litio, riducendo così la viscosità delle scorie e migliorando il tasso di estrazione dell’alluminio. Inoltre nel processo una certa quantità di ossigeno verrà disciolta nel liquido di alluminio, formando inclusioni di allumina e influenzando la purezza del metallo.

Il carbonato di litio può reagire con l’ossigeno nell’alluminio liquido per generare ossido di litio e anidride carbonica, svolgendo così il ruolo di deossidazione. Un altro uso industriale è nella produzione degli adesivi e massetti per pavimenti, dei quali aumenta la densità con conseguente riduzione dei tempi e dei costi di costruzione.

Il carbonato di litio è essenziale per la produzione di prodotti in vetro resistenti, durevoli e termici, come quelli che si trovano negli smartphone e nei piani cottura in quanto abbassa la temperatura di cottura e riduce l’espansione termica, aumenta la durata e la resistenza alla corrosione, la resistenza agli shock termici, la resistenza dei corpi ceramici e migliora la viscosità del rivestimento, oltre a migliorare il colore e la lucentezza.

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