王衛(wèi)星

在工業(yè)領域中，鋰（Li）和鋰及其化合物用途頗多。碳酸鋰是制造玻璃陶瓷的絕佳材料，當加入碳酸鋰后，陶瓷膨脹系數(shù)會顯著降低，以此可以制作高級透鏡；溴化鋰可以代替氟利昂，而氟利昂會破壞臭氧層污染環(huán)境；鋰還可以做溶劑，鋰基溶劑的適應溫度是-60～200℃，不凝結，利用這種特性，可以把它摻進機油，以防止凝結；鋰還能在藥物方面發(fā)揮作用，它可以治療狂躁癥，這種用途在十幾年前就已經(jīng)很普遍。正可謂，有“鋰”行遍天下。

1 鋰元素的發(fā)現(xiàn)及特性

1817年，鋰被發(fā)現(xiàn)于火山巖中。瑞典化學家阿爾費德森（Arfwedson，1792—1841）最先在分析透鋰長石時發(fā)現(xiàn)了（見圖1）鋰。19世紀40年代以前，鋰只是作為制造玻璃和陶瓷的添加劑。此后，鋰在工業(yè)生產(chǎn)與科學技術中得以廣泛應用，包括航空航天、電子電器、化工醫(yī)藥、玻璃制造（特別是強化玻璃）、橡膠陶瓷、核能工業(yè)、合金精煉等領域。

鋰的英文名Lithium，來源于希臘文lithos（石頭），元素符號為：Li。138億年前，宇宙在一次“大爆炸”中誕生了鋰，參與了宇宙的形成。天文學研究者們還發(fā)現(xiàn)，在大爆炸的同時，鋰—7已散發(fā)在宇宙的空間了。特別又在后期有新的雙星爆炸，遂形成大量的鋰—7。鋰—7不單存在宇宙空間，而且部分還散在太陽系里，鉆到地球的巖漿中。

如此就形成2大類：一類在巖漿里，叫內(nèi)生；另一類從巖漿熱液到熱水到地表，叫外生。內(nèi)生礦（硬巖）如：偉晶巖類的鋰輝石、鋰云母等。外生礦又分6類：古代鹽鹵礦，在特定條件下，部分與火山噴發(fā)相關，也能聚集鋰元素；鹽湖鋰礦，如鋰三角；油田水鋰礦，呈藍綠色的油田水含鋰，現(xiàn)在美洲、四川探明了這一資源；地熱型鋰礦，地熱水中含鋰、銫，進而富集成礦；賈達爾礦（羥硼硅鈉石）是鋰、硼、硅形成的礦體，是火山噴發(fā)到地表后，在湖里沉淀下來形成的固體礦；黏土礦，如美國銀峰湖就屬于這類，而且正在蔓延擴大，從美國內(nèi)華達州向西南延伸到墨西哥，這條地帶有很多黏土礦。

鋰是一種銀色金屬，比水還輕，在化學元素周期表中排第3，是世界上最輕的金屬，比重0.534。能生產(chǎn)熱核所需的鋰—6，是航天器與核武器的重要燃料。鋰可吸收中子，在原子反應堆中作控制棒，軍事上用作信號彈、照明彈的紅色發(fā)光劑和飛機用的稠潤滑劑。冶金上用于鋰制輕質合金和金屬制品的純凈劑。鋰的熔點低，其導熱性和熱容量都是液態(tài)金屬中最大的。鋰很軟，可用小刀切；韌性大，易于拉伸；具有可塑性，可壓延成片。因為鋰的化學活性很大，能為大氣所侵蝕，因此不能直接用作結構材料（見圖2）。

活躍元素鋰是一種優(yōu)質能源，燃燒后可放出大量的熱量。鋰僅占地殼的0.002%，極其稀缺卻是工業(yè)基礎材料，是推動現(xiàn)今科技時代進步與未來文明發(fā)展的核心元素之一。采用鋰或鋰的化合物制作固體燃料用作火箭、導彈、宇航飛船的動力，替代固體推進劑，能量高、燃速大，具有極高的比沖量，極大地提高了航天飛行器的載荷能效。鋰還能夠制造性能優(yōu)異的輕質合金，例如鋰鎂、鋰鋁合金。這些合金的質量輕而強度大，既抗沖擊、抗腐蝕、耐高溫，又可防高速輻射粒子穿透。在冶金生產(chǎn)中，鋰可作為脫氧、脫氯劑。例如煉銅時，加入極少量鋰，即可除掉銅礦中的氧、氮、硫等雜質，顯著改善銅的理化性能。

鋰的化合物也在各個領域發(fā)揮著它神奇的作用。氫氧化鋰（H2LiO）及過氧化鋰（Li2O2）有超強吸收二氧化碳的本領，凈化空氣使人精神煥發(fā)而心曠神怡，為載人宇宙飛船和深海潛艇中的工作人員提供身體能量與環(huán)境保障。氟化鋰可大大增加紫外線的透明度，用于制作的天文望遠透鏡可以使天文學家捕捉超遠距離明星的輻射光，探測銀河系深處的科學奧秘。溴化鋰被用于制冷工業(yè)，溴化鋰吸收式制冷設備具有節(jié)約電力、節(jié)省空間、效果顯著等優(yōu)點。鋰鹽用在食品儲存中，能使食物保存良久而不變質。例如牛奶中加入極少量的碳酸鋰即可保鮮1年以上。

2 鋰資源的分布與提取

全世界各大洲均有內(nèi)生鋰礦，而外生類的重點是鹽湖鋰礦，主要在分布南北帶和東西帶 （見圖3）。

全球鋰資源比較豐富的南美“鋰三角”，即：玻利維亞、阿根廷、智利，約75%集中在智利和玻利維亞。南美洲集中了2億t碳酸鋰儲量，然后是美國南部，這就是所說的“南北帶”。南北帶的鋰礦分布在陸陸板塊的接縫線上，這是2大板塊擠壓比較脆弱的地帶。巖漿從這里噴出，流到安迪斯山脈前沿，形成火山湖，火山湖出來的水在湖里就變成礦，有一定規(guī)律可循。

然后是 “東西帶”，主要是從歐洲的塞爾維亞經(jīng)伊朗、克什米爾地區(qū)，最終到中國的青藏高原。東西帶成型的鋰礦主要集中在青藏高原。東西帶同樣是在陸陸板塊連接線周邊形成的鋰礦。

中國最典型的鋰礦主要分布在“一深一淺”2大盆地?！吧钆琛笔遣襁_木盆地，海拔是2 700～3 200m，但相對于青藏高原是比較低的。經(jīng)科學家研究發(fā)現(xiàn)，柴達木盆地的鋰鹽湖有對稱性，叫“對稱成礦”。柴達木盆地南方可可西里流出的地熱水，流到東西臺吉爾湖一里坪，到察爾汗。北邊是祁連山，也有從鋰火山出來的地熱水流到大小柴旦湖。“淺盆”叫淺盆多級成礦，是從雅魯藏布江向北，大量分布著淺而小的湖，這些湖泊含鋰。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)這一地帶從南到北有70多個含鋰的鹽湖?？蒲泄ぷ髡邆冄芯堪l(fā)現(xiàn)，西藏過去曾經(jīng)有一個內(nèi)陸淡水湖，叫“泛湖”。13萬年來，泛湖共有過3次湖水的漲而又降，湖面最大時的面積可達36萬km2，如同內(nèi)陸海。后來因干旱，逐漸變小，形成星羅棋布的塊狀流域——鋰鹽湖。

中國的鋰資源比較豐富，鋰資源量有3000多萬t，儲量有790多萬t，資源量世界第三，儲量世界第四。全世界鋰的資源量將近4億t，但儲量比較少?！皟α俊睘楝F(xiàn)有經(jīng)濟條件下可開發(fā)的；“資源量”則是指已查明一定的資源，但是目前不足以開采的資源。

探明儲量按照礦床類型來分，鹵水型礦床占比最大為64%，硬巖型鋰礦床占比居其次為29%，沉積型鋰礦床主要為鋰黏土，占比7%。據(jù)測算2021 年全球鋰資源供給碳酸鋰當量（LCE）約為56.4萬t 其中鹽湖鹵水23.7萬t，占比42.1%；鋰輝石23.3萬t，占比41.3%；鋰云母6.5萬t，占比11.5%；鋰原料回收2.9萬t，占比5.1%。至 2025 年，若不開發(fā)黏土型鋰礦，鋰資源供給總量（LCE）預計約為129.4 萬t，增長率（CAGR，是一項投資在特定時期內(nèi)的年度增長率）為 23.6%。

品位方面，優(yōu)質黏土型鋰礦品位介于云母與鋰輝石礦山之間；儲量方面，黏土型鋰礦平均儲量低于南美鹽湖，接近澳礦，高于國內(nèi)鹽湖，遠高于國內(nèi)鋰輝石礦山、鋰云母。

鋰云母又稱“鱗云母”，化學成分為KLi1.5Al1.5[AlSi3O10]（F，OH）2，含Li2O為1.23%～5.90%，硬度2～3，比重2.8～2.9，是鉀和鋰的基性鋁硅酸鹽。熔化時發(fā)泡并產(chǎn)生深紅色鋰焰，不溶于酸，但熔化后作用于酸。鋰云母常含銣、銫等，單斜晶系，常呈細鱗片狀集合體，顏色呈淡紫色、粉色，有時黃綠色，并可淺至無色，呈短柱體、小薄片集合體或大板狀晶體（見圖4）。鋰云母具有珍珠或玻璃光澤。鋰云母底面具極完全云母解理，屬云母類礦物，主要見于偉晶巖中，也見于云英巖和高溫熱液脈中，是提取鋰的礦物原料。

鋰下游需求旺盛，黏土型鋰礦資源開發(fā)正當時。若不開發(fā)黏土型鋰礦資源， 遠期鋰供給或趨于緊張。據(jù)測算，若不開發(fā)黏土型鋰礦項目，2025年全球鋰資源供給約為129.4萬噸 LCE，2023—2025年均復合增速10.2%；2025年全球鋰鹽廠對鋰資源的需求約為138.2萬噸 LCE，2023—2025 年均復合增速16%，遠期需求增速大于供給增速。2025年供給缺口約為8.8萬t，在不考慮黏土型鋰礦資源供給的情況下，供給或趨于緊張。

提取方法方面，火山巖黏土型鋰礦中鋰的提取可以采用直接浸出法、助劑焙燒法和氯化硫化法；碳酸鹽黏土型鋰礦中鋰的提取可以采用焙燒后硫酸浸出；賈達爾型鋰礦中鋰的提取可以采用多級破碎和濕式閉路重選洗滌后濃硫酸浸出。

鋰黏土提鋰工藝兼具礦石提鋰和鹽湖提鋰的優(yōu)點，能以礦石提鋰速度迅速完成提鋰，也能以較低成本的鹵水完成提鋰。由于供給端鋰輝石精礦及鹽湖已基本產(chǎn)業(yè)化，且下游需求仍處于初期發(fā)展階段，鋰供需規(guī)模較小，鋰黏土資源受到的關注度較低；隨著鋰的下游需求快速增量，更多鋰資源的開發(fā)重新受到產(chǎn)業(yè)關注與布局，其中鋰黏土因為自身提鋰技術的進步，特別是近來可研發(fā)現(xiàn)黏土項目提鋰成本較低，逐步成為下一輪鋰供給關注的焦點。

3 鋰的應用

3.1 “行”太空的新型航天材料——鋁鋰合金

鋁鋰合金已是現(xiàn)代航空航天器材設計中最具競爭力的材料之一，擁有廣闊的應用前景。鋁鋰合金的研究和開發(fā)大致經(jīng)歷了3個階段。

一是起步階段。當時的科研人員并未意識到鋰對鋁合金的關鍵作用，故第一代鋁鋰合金耐熱性能、塑韌性較差、缺口敏感性較高，未在當時的航天器中應用。

二是快速發(fā)展階段。但第二代鋁鋰合金仍存在很多問題：各向異性嚴重、塑韌性不足、熱暴露后韌性損失嚴重等，限制了其在航天器的推廣應用。

三是大規(guī)模應用階段。第三代鋁鋰合金具有各向異性弱、可焊性好、耐腐蝕強等優(yōu)點，在航天器制造方面得以大量應用。

現(xiàn)今，已進入第4個高質量發(fā)展階段?？蒲腥藛T已研究出眾多性能更加優(yōu)異的鋁鋰合金材料，并應用在新一代航天器中（見圖5），實現(xiàn)了工程化應用。鋁鋰合金的制備方法主要有鑄錠冶金法和粉末冶金法2大類。這2種制備方法在制備時會出現(xiàn)一些問題。因此，科研人員提出比較具有代表性的熔鹽電解法和模擬微重力狀態(tài)法。鋁鋰合金在航空航天領域的應用已經(jīng)越來越多。

目前，鋁鋰合金的研究主要朝著改進現(xiàn)有制備工藝，提出新的制備技術；進一步探尋更有效的合金化途徑；不斷改進已有焊接工藝，提出更優(yōu)良的新工藝等方面進展。

3.2 “行”天下的新型能源材料——“鋰電”

當然，在人們生活中最熟悉的還是“鋰電池”（見圖6）。鋰電池較其他電池更耐久，常被用于智能手機、筆記本電腦等小巧設備，以及電動車等交通工具。

鋰電池包括單體鋰原電池和鋰原電池組，定義也稱為一次鋰電池，負極為鋰，且被設計為不可充電的電池。

鋰離子電池以金屬鋰作“負”極，以經(jīng)過熱處理的氧化錳（MnO2）為“正”極，采用聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）作隔離膜，以高氯酸鋰（LiClO4）有機溶液作為電解液。鋰具堿金屬的化學性質，遇水發(fā)生化學反應，產(chǎn)生能中和酸性溶液的堿性化合物，具良好耐熱性，具極高的熔沸點，這一特性使鋰具有大能量儲存的能力。鋰是高度活潑金屬，易失去最外層的一個電子而形成化學鍵，帶上正電荷，使鋰成為負電荷接收承載者，在鋰電池內(nèi)部形成強電流。

4 清潔能源選材，必“Li”必“Li”

鋰離子電池是不可替代的。那么“鋰電”是誰發(fā)明的？鋰電池的發(fā)明經(jīng)歷長達50年的科學接力！第1棒選手是英國科學家M.斯坦利·威廷漢姆（M.Stanley Whittingham），20世紀70年代，在研究充電電池時，他從眾多金屬元素中，選中了鋰，誕生了鋰電池1.0。第2棒選手是美國固體物理學家約翰·古迪納夫（John B.Goodenough），他改進了電池配方，大大提升了鋰電池容量，改善了安全性能，創(chuàng)新了鋰電池2.0。第3棒選手是日本化學家吉野彰（Akira Yoshino），他在原有基礎上又做了改進，把鋰換成了鋰離子，更新了更安全的鋰離子電池。

從1991年開始，新能源領域掀起了一場電池革命，人們的移動設備陸續(xù)用上了輕便、清潔、安全、實惠的鋰離子電池。人類社會的能源體系，從此邁進新時代。為了表彰他們推動鋰離子電池技術的發(fā)展，諾獎委員會授予以上3位科學家“2019年諾貝爾化學獎”（見圖7）。

科技無止境，近百歲的古迪納夫（見圖8）再接再厲，繼續(xù)研究出更安全實惠的全固態(tài)鋰離子電池，開發(fā)了可充電的鋰離子電池，發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立了“古迪納夫—金森法則”解決了確定超交換材料磁性符號問題，因此而倍受矚目。

古迪納夫教授是世界上公認的“鋰電池之父”，是他的創(chuàng)新使鋰電池使用便捷而安全穩(wěn)定，體積更小而容量更大，是他讓“鋰電”加快了商業(yè)化進程，進而開啟了“新能源新電動”時代。

當今，鋰電池作為首要的便攜能量源，無時無刻不在影響著人們的生產(chǎn)經(jīng)營與日常生活。全球鋰電池產(chǎn)業(yè)已近百億美元，為人類活動提供新動力。它曾與晶體管一并被視為電子工業(yè)中最偉大的發(fā)明。索尼公司在1991年即采用“古迪納夫理論”制造出世界上第一款商用鋰電池，自那時起，手機、照相機、手持攝像機，以及電動汽車等領域紛紛邁進了便攜化的新能源新電動時代。

早期鋰電池采用金屬鋰作電極材料，易發(fā)生燃燒和爆炸，未實現(xiàn)推廣應用。古迪納夫為解決這一難題，提出：鋰離子嵌入-脫出的轉換機理，以碳酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰替換金屬鋰作電極材料相對穩(wěn)定，既安全又降本，實現(xiàn)了鋰電技術的革命性突破，實現(xiàn)了鋰電技術在其他領域的推廣應用。

1980年，古迪納夫在牛津大學的4年終于采用鈷酸鋰獲得鋰電科技的突破。新型鋰電池體積更小而容量更大，便利而耐久。當時已經(jīng) 97 歲高齡的古迪納夫依然奔忙于實驗室，奮站在科研一線。他工作日每天早上7點就在辦公室工作，周末仍在家工作一天半。保持終身學習與科研的古迪納夫還有最后一個重大發(fā)明的夢想——制造出可以使電動車代替汽油車的高容量鋰電池。

5 鋰的發(fā)展趨勢與前景

5.1 “鋰”想很豐滿，現(xiàn)實很骨感

全球電動汽車銷量曾一度大幅下滑，新能源車產(chǎn)銷量大幅下滑，或對鋰的需求端產(chǎn)生重大利空。

電池的技術路徑發(fā)生革命性變化：目前鋰電池使用的正極材料主要包括三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等，均對上游鋰鹽有較大需求。若鈉離子電池等取得突破性進展并產(chǎn)業(yè)化，或侵蝕鋰離子電池的市場份額，從而導致鋰需求縮減。

然而，困難過后多會迎來利好前景。鋰電池之父古迪納夫說：“從資源端來說，鋰是不亞于石油的一種‘白色的石油”，奧巴馬也曾把鋰列為戰(zhàn)略資源，排在石油之前。

5.2 “鋰”解困難，互“鋰”共贏

青藏高原的鹽湖蘊藏著中國75%的鋰資源，中國的“鋰”開發(fā)在技術上是有優(yōu)勢的，科研人員從技術上解決問題。鋰回收率僅30%，要提升，要深加工，綜合利用。

中國地質調(diào)查局中國地質科學院鄭綿平院士從1980年代就開始研究“扎布耶鹽湖項目”。從爛泥里發(fā)現(xiàn)細微的鋰礦物——天然碳酸鋰。碳酸鋰熱而沉淀，冷而溶解的特性，叫“正溫度效應”。鹽湖在下雨時上層是涼的，但湖底是熱的。淡水與鹵水之間形成過渡層而使溫度集中到湖底。運用“太陽池”原理提取鋰。

全國兩會期間，習近平總書記提出“加快建設世界級鹽湖產(chǎn)業(yè)基地”。中央經(jīng)濟工作會議上，習近平總書記特別講“我們要保住資源的、原材料的安全的底線，這個指導思想非常重要”。青海省政府已提出方案。如何建好世界級鹽湖產(chǎn)業(yè)基地，保障國家礦產(chǎn)資源安全？

鄭綿平院士團隊建議了5個方面：

第一，政策引領。加強理論基礎和技術研發(fā)。國家規(guī)劃建立國家實驗室、工程中心等平臺，加強科技攻關與科技創(chuàng)新，解決卡脖子的難題。

第二，開源。要加大有前景的地方的地質調(diào)查，加大鹽湖及其他類型鋰礦的勘查、利用和投入。

第三，節(jié)流。須規(guī)范鋰電生產(chǎn)標準，加強鋰電回收，循環(huán)利用資源。

第四，協(xié)調(diào)新采與回收兩種資源市場，鼓勵境外開發(fā)。中國的硬巖提取技術引領世界，國外有豐富資源，我們有先進技術，幫助開發(fā)而互利共贏。

第五，加強人才培養(yǎng)?？蒲幸l(fā)揚艱苦奮斗的老傳統(tǒng)，同時要考慮當?shù)厝瞬诺呐囵B(yǎng)，建立鹽湖相關專業(yè)，培養(yǎng)一些當?shù)厝瞬拧?/p>

在黨和政府的領導支持下，通過產(chǎn)、學、研、政的通力合作，我們有信心、有能力，能夠為我們國家的鋰資源安全守好安全底線，也更會用好鋰資源。

2017年以后，鋰的用途發(fā)生了很大變化。鋰在新能源汽車上的用量有很大的增長，航空航天和船舶領域也開始應用鋰電池。另一方面，作為最理想的儲能材料，氫能、太陽能、風能都會用到鋰。

目前，出行電動化、鋰電儲能拉動鋰的材料資源需求提升。鋰電儲能占據(jù)鋰需求總量半壁江山，據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019 年鋰電池需求占全球鋰需求總量的54%。隨著車型、工藝和新技術的更新，尤其輔助（自動）駕駛功能的日益成熟，全球新能源汽車的市場前景與產(chǎn)品優(yōu)勢日益明顯。鋰正在靜默地為生產(chǎn)、生活帶來品質與便利，伴隨“鋰電”科技的發(fā)展，神奇的鋰元素必將“大行天下”。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.017

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