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200年“锂”程:从石头到能源金属

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200年“锂”程:从石头到能源金属
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200年“锂”程:从石头到能源金属

【摘要】:
锂元素的发现,距今已有200年。1817年的某天,瑞典化学家阿尔费特逊在其老师贝齐里乌斯的实验室分析一种矿石时,发现了一种新元素,贝齐里乌斯将其定名为“lithium”。该词源于希腊文,意思是“石头”,用以表示该元素从石头中发现,以有别于与之性质相近的、分别从血液和草木灰中发现的钠和钾。汉语将其翻译为“锂”。这两位化学家当初应该不会想到,这个新发现的名为“石头”的元素,在21世纪成为了能源金属。 
  锂元素的发现,距今已有200年。1817年的某天,瑞典化学家阿尔费特逊在其老师贝齐里乌斯的实验室分析一种矿石时,发现了一种新元素,贝齐里乌斯将其定名为“lithium”。该词源于希腊文,意思是“石头”,用以表示该元素从石头中发现,以有别于与之性质相近的、分别从血液和草木灰中发现的钠和钾。汉语将其翻译为“锂”。这两位化学家当初应该不会想到,这个新发现的名为“石头”的元素,在21世纪成为了能源金属。
  锂在大自然中主要寄宿于岩石、卤水和海水中,分别称为硬岩锂、卤水锂和海水锂。人类要获得锂,就需要从这些物质中提取。
  锂辉石是人类最先进行工业开发利用的锂资源。1855年,德国化学家罗伯特本森和英国化学家奥古斯图斯通过电解氯化锂生产出大量可使用的锂;1923年,德国金属公司采用电解氯化锂和氯化钾的混合液工艺,锂从此实现了商业化生产。
  硬岩锂矿找矿具有较大的风险性和一定的挑战性,从勘查、钻探、样品分析测试到开采、破碎、煅烧、选矿,每一个步骤都不简单。由于从头到尾都要消耗能源,成本比较高,对环境也会产生不利的影响。硬岩提锂的成本基本为6~8美元/千克。
  海水中赋存有巨量的锂,约为2600亿吨,是目前全球已查明锂资源量的6500余倍,但其含量极低。海水提锂主要有两种途径:一是直接从巨量海水中提取微量的锂元素;二是从海水淡化后的浓海水或海盐制盐后的卤水中提取。目前已有个别机构正在实施浓海水提锂新技术开发及中试线建设工作,但由于成本过高,尚不能进行商业化生产。
  相比于从硬岩中提取锂,盐湖卤水中提锂有天然的低成本优势。卤水中的锂本身已是游离态或者是游离的化合态,卤水提锂时直接省掉了开采、破碎、粗级选矿。在横跨智利和秘鲁的阿塔卡玛沙漠中的阿塔卡玛的盐湖,卤水中富含锂,其锂金属资源储量高达630万吨,约占全球的24%。1997年,智利化学矿业公司开始从阿塔卡玛盐湖中生产碳酸锂,将碳酸锂价格降至1500美元/吨,仅为同期国际价格的一半。这样,盐湖卤水锂以其低廉的价格极大地冲击了世界各国的硬岩锂业。自此以后,盐湖卤水提锂也就基本取代了硬岩提锂。
  当然,全球盐湖卤水锂的资源禀赋并非都像阿塔卡玛盐湖一样优越。有的高锂盐湖由于地处高海拔、交通不便、能源物资供给缺乏,或者其卤水中含有更高含量的镁,种种因素都极大地增加了盐湖卤水的提锂成本。不过,除了阿卡塔玛盐湖之外,还有不少与它类似的高品质盐湖存在,这些盐湖能满足目前及未来一段时间内全球对锂资源的需求。
  锂的应用:最广泛的用途是动力燃料、核能和储能
  锂被发现后的一段相当长时间里,仅在玻璃陶瓷业、冶金工业、制药业等行业进行了使用。相比之下,锂最广泛而重要的用途当属锂能的应用。而锂能的应用包括三个方面,动力燃料、核能和储能。
  锂是用作火箭等燃料的最佳金属之一。用锂或锂的化合物制成固体燃料来代替固体推进剂,用作火箭、导弹、宇宙飞船的推动力,不仅能量高、燃速大,而且比冲量极高,发动机利用一公斤锂燃料可以持续产生推力290秒以上。
  真正使锂成为举世瞩目的金属元素,是其优异的核性能被发现后,被用作核聚变武器的生产。上世纪五六十年代的冷战时期,是人类首次对锂的显著需求期。鉴于它在原子能工业上的独特性能,人们开始称锂为“高能金属”。
  令人鼓舞的是,从上世纪90年代起,随着锂离子电池的发明和应用,锂第二次受到全球瞩目,并开始服务于人类的进步与和平。
  锂离子电池的研发是企业家和科学家们多年不懈努力的结果。上世纪70年代,英国化学家怀特汉姆提出锂电池的概念,将金属锂作为负极材料。不过,锂金属成本昂贵且易燃易爆,安全性不好。之后,慕尼黑技术大学的本森哈得发现,石墨和阴极氧化物嵌入的可逆性,并提出可用于锂电池应用。1980年前后,斯坦福大学高德绍与牛津大学古迪纳夫、米祖矢玛,分别发明了钴酸锂作为正极、锂金属为阴极的可充电锂电池。1985年,日本旭化成株式会社的吉野彰使用碳材料组装了一个原型电池,锂离子可插入其中作为电极,而空气中稳定的钴酸锂作为另一极。这种电池的安全性大大提高,而且钴酸锂可工业化规模生产,标志着锂离子电池的正式诞生。
  终于到1991年,索尼公司和旭化成株式会社宣布首个商用锂离子电池研制成功。由此,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。
  较高的安全性、可充电性、高容量性、体积较小,锂离子电池的这些优越性能,加上盐湖锂获取的低成本,越发激发了企业家和科学家研发相关产品的热情。从电脑、手机等信息终端的微型化,到汽车的电动化,再到将来储能设备家庭化、核聚变能,锂作为一种能源金属将带领我们步入更加绿色环保的明天。