編譯 邵峰

精神藥物、核武器、動(dòng)力電池……3號(hào)元素鋰為何如此多才多藝？為什么它是一種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源？

巨型鋰礦帶就在青海?。?/h2>

金屬鋰是第三號(hào)元素，在地殼中的豐度約為0.0065%。地殼中豐度最高的前四種元素依次是氧、硅、鋁和鐵，鋰只能排到第27 位。按照鋰礦的形態(tài)，鋰資源主要有三類：鹵水型（約占66%）、偉晶巖型（約占26%）和沉積巖型（約占8%）。

2021 年，全球已探明的鋰資源為8900 萬(wàn)噸，其中56%位于智利、阿根廷和玻利維亞三國(guó)交界地帶的高山鹽湖和鹽沼，形式為鹽湖鹵水鋰。這三國(guó)因?yàn)檎瓶刂嫶蟮匿囐Y源，也被稱為“南美鋰三角”。我國(guó)鋰資源約占全球鋰儲(chǔ)量的6%（不包括新探明鋰儲(chǔ)量），且主要為鹽湖鹵水鋰。據(jù)青海省地質(zhì)調(diào)查院2021 年12 月公布的信息，我國(guó)地質(zhì)科研工作者在青海省巴顏喀拉地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一條巨型鋰礦帶，并且是一條鋰、鈹?shù)认∮性氐某８患瘞А＿@次大型鋰礦的發(fā)現(xiàn)，大大擴(kuò)充了我國(guó)的已探明鋰儲(chǔ)量，為國(guó)家今后的發(fā)展增加了不少底氣。

鹽湖鹵水鋰

礦石鋰

又軟又輕的鋰，竟然有如此多的用途？

盡管鋰在地殼中不算特別稀有，但它卻有“稀有金屬”之稱，普通人很少見過(guò)它的金屬形態(tài)。具有銀白色光澤的鋰金屬如黃油般柔軟，重量輕、密度小、非常易燃。煤油是實(shí)驗(yàn)室保存金屬單質(zhì)的常見液體。完全浸入煤油的金屬不會(huì)再與氧氣接觸，也就能避免被氧化。不過(guò)，金屬鋰的密度比煤油還小，無(wú)法完全浸入煤油，因此，一般采用固體石蠟將鋰和外界空氣隔絕。

1817 年，25 歲的瑞典人阿爾費(fèi)德森在實(shí)驗(yàn)室中分析一塊礦石標(biāo)本。分析結(jié)果顯示，這款礦石含有97%的硅化物，但無(wú)論他如何測(cè)定，剩下的3%的成分依然成謎。最終，他確認(rèn)這3%是一種新元素。他將這個(gè)發(fā)現(xiàn)告訴了他的導(dǎo)師，后者將這一新元素命名為“l(fā)ithium”（鋰），在希臘語(yǔ)中，“l(fā)ithos”（lithium 一詞的詞根）的意思是石頭。其實(shí)，阿爾費(fèi)德森發(fā)現(xiàn)的并非是純鋰，而是鋰的化合物。直到1821 年，化學(xué)家布蘭德借助電解法，才第一次獲得了純凈的鋰金屬。鋰的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，單質(zhì)鋰能與水緩慢發(fā)生反應(yīng)，在所有堿金屬中，鋰和水的反應(yīng)過(guò)程是最溫和的。

鋰不僅在電池領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，被譽(yù)為有望替代石油的“白色石油”，更在醫(yī)療、工業(yè)、核能等領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，真可謂“有鋰走遍天下，無(wú)鋰寸步難行”。我國(guó)將鋰劃入24 種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源之一，其重要性可見一斑。

鋰鹽：大自然贈(zèng)與精神科的禮物

1929 年，一位名叫格里格的美國(guó)商人向市場(chǎng)推出了一款含有檸檬酸鋰的飲料。鋰飲料上市造成了不小的轟動(dòng)，并很快在幾年內(nèi)一躍成為美國(guó)飲料市場(chǎng)的龍頭產(chǎn)品。

為什么商家要在飲料里添加鋰呢？這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的人們發(fā)現(xiàn)，在一些市政供水中含有天然鋰元素的地區(qū)，抑郁癥發(fā)病率和自殺率都低于其他地區(qū)。鋰具有改善情緒的特質(zhì)，促使格里格將檸檬酸鋰作為他開創(chuàng)的新飲料的賣點(diǎn)。然而，短短幾年后，這款飲料就因?yàn)榘踩珕?wèn)題被當(dāng)局禁止銷售，原因是無(wú)節(jié)制地?cái)z入鋰鹽會(huì)引發(fā)腎臟出現(xiàn)問(wèn)題。

雖然鋰飲料從此銷聲匿跡，但在后來(lái)的日子里，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)了鋰在治療精神疾病方面的突出作用。1944 年，澳大利亞醫(yī)生凱德注意到，含鋰井水似乎有助于治療某些精神疾病。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的猜測(cè)：僅僅一針碳酸鋰注射液，就能讓躁狂癥豚鼠安靜下來(lái)，沉沉睡去。1949 年，凱德公開了他關(guān)于鋰鹽能治療躁狂癥的發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)60 年代，鋰鹽的應(yīng)用又改變了抑郁癥的治療方式。進(jìn)一步研究表明，鋰鹽似乎會(huì)影響大腦某些神經(jīng)遞質(zhì)（如去甲腎上腺素、多巴胺和血清素）的活動(dòng)。作為人類首次發(fā)現(xiàn)的情緒穩(wěn)定劑，鋰鹽在治療躁狂、抑郁和雙相障礙（時(shí)而躁狂、時(shí)而抑郁）方面具有顯著效果，并能明顯消解某些患者強(qiáng)烈的自殺情緒。直到今日，鋰鹽依然是治療精神疾病的一線藥物之一，被譽(yù)為大自然贈(zèng)與精神科病患的禮物。

碳酸鋰注射液能讓躁狂豚鼠安靜下來(lái)

鋰6：制造氫彈少不了它

鋰同位素是制造氫彈的必要原料之一。人類引爆過(guò)的威力最大的純裂變式核武器是美國(guó)引爆的“常青藤之王”（50 萬(wàn)噸TNT 當(dāng)量），其爆炸威力是美國(guó)投放在日本廣島的原子彈的25 倍。不過(guò)，“常青藤之王”的爆炸威力還是無(wú)法和氫彈這類聚變式核武器相提并論。迄今威力最大的氫彈是俄羅斯的“沙皇炸彈”（又名“恐怖伊萬(wàn)”），其TNT 當(dāng)量為5000 萬(wàn)噸，爆炸時(shí)產(chǎn)生的火光在1000 千米外都清晰可見，氫彈蘑菇云升騰到64 千米的高空，爆炸產(chǎn)生的能量甚至讓歐亞大陸發(fā)生了輕微位移。

爆炸威力驚人的氫彈就是以氘化鋰6 為反應(yīng)原料的

氫彈爆炸的原理

氫彈的裝料為氘（氫2）和氚（氫3），但氘和氚在常溫常壓下為氣態(tài)，使用起來(lái)十分麻煩。1953 年美國(guó)的第一次氫彈原理實(shí)驗(yàn)，就采用了大量冷卻設(shè)備來(lái)使氘和氚保持液態(tài)。然而，這個(gè)氫彈的質(zhì)量達(dá)到了無(wú)比夸張的65 噸，即便它有1040 萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的爆炸威力，這么大質(zhì)量的氫彈也根本無(wú)法用轟炸機(jī)投送。鑒于此，氫彈中的裝藥一般為固態(tài)的氘化鋰6（鋰有鋰6 和鋰7 兩種同位素）。在氫彈中，每1 千克氘化鋰6 完全反應(yīng)，能釋放4 萬(wàn)~5 萬(wàn)噸TNT 當(dāng)量的爆炸威力。鋰6 對(duì)氫彈的重要意義使其成為一種被各國(guó)嚴(yán)格管控的戰(zhàn)略金屬。

諾獎(jiǎng)被授予鋰離子電池的三位貢獻(xiàn)者

能量密度高且輕便的鋰離子電池的問(wèn)世之路充滿了艱辛和坎坷。20 世紀(jì)70 年代石油危機(jī)期間，石油短缺迫使人們開始尋求新能源。美國(guó)石油巨頭?？松梨诠镜幕瘜W(xué)家惠廷厄姆開始探索一種能夠替代石油能源的新型充電電池，這種電池必須具備能量密度高和充電時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。在一次試驗(yàn)中，他使用二硫化鈦?zhàn)鳛殡姵卣龢O，金屬鋰作為負(fù)極，制作出首個(gè)鋰電池，但這種方案導(dǎo)致電池短路并起火，埃克森美孚公司于是決定停止該方案的后續(xù)試驗(yàn)。

20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)固體物理學(xué)家古迪納夫嘗試使用鈷酸鋰代替二硫化鈦?zhàn)鳛殡姵氐恼龢O，結(jié)果這種新型鋰離子電池的能量密度大大超出所有人的預(yù)期，幾乎是同時(shí)期其他類型電池能量密度的2 倍，但可惜的是該方案依然沒有解決易燃問(wèn)題。

幾年后，日本科學(xué)家吉野彰用石油焦替代古迪納夫方案中的負(fù)極材料金屬鋰，從而解決了易燃問(wèn)題，這個(gè)突破宣告首個(gè)能夠穩(wěn)定工作的鋰離子電池的誕生。2019 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被共同授予惠廷厄姆、古迪納夫和吉野彰，以表彰他們?yōu)殇囯x子電池發(fā)展做出的杰出貢獻(xiàn)。

鋰離子電池是如何工作的？

電池有正極和負(fù)極。通常情況下，負(fù)極材料為碳，正極材料為金屬氧化物（如氧化鈷）。正負(fù)極間充斥著電解液（鋰離子電池中的電解液就是鋰鹽）和將電池兩極隔開的隔膜。鋰離子電池放電時(shí)，帶正電的鋰離子穿過(guò)隔膜，向正極移動(dòng)，這造成正極的正電荷增多。受正電荷吸引，帶負(fù)電荷的電子也向正極運(yùn)動(dòng)，由此形成電流。然而，電子因無(wú)法穿過(guò)隔膜，只能選擇走外電路，穿過(guò)用電器做功后再回到正極，這就是鋰離子電池驅(qū)動(dòng)電器工作的過(guò)程。

鋰離子電池放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極移動(dòng)到正極，導(dǎo)致正極對(duì)電子的吸引力變強(qiáng)，電子從負(fù)極經(jīng)用電器流向正極。

改變世界的鋰離子電池

如今，鋰離子電池的廣泛應(yīng)用在很大程度上改變、甚至顛覆了我們過(guò)去的生活方式。早期的民用手機(jī)“大哥大”的電池重量占機(jī)身重量的1/2?！按蟾绱蟆辈捎玫氖擎囨k電池，容量一般為500 毫安。而今天，手機(jī)采用的鋰離子電池的容量一般都達(dá)到4000 毫安，重量卻更輕。鋰離子電池不但為移動(dòng)設(shè)備減了重，延長(zhǎng)了使用時(shí)間，使用起來(lái)還更方便。在老一輩的印象中，鎳鎘充電電池使用起來(lái)需要尤其注意一點(diǎn)：如果某次充放電不完全，就會(huì)對(duì)電池容量產(chǎn)生永久性影響，這被稱作“記憶效應(yīng)”。而鋰離子電池就不存在“記憶效應(yīng)”這個(gè)缺點(diǎn)。

“大哥大”笨重，很大程度是因?yàn)殒囨k電池太重

以鋰離子電池為能源的考察車不懼低溫

1996 年，日本研發(fā)出了全球首臺(tái)鋰離子電池電動(dòng)汽車，日本國(guó)立極地研究所北極觀測(cè)中心將其作為支援車，在嚴(yán)寒的北極使用了 6 年之久，在此期間，鋰離子電池耐用耐寒的特性被人們所了解。進(jìn)入21 世紀(jì)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，鋰離子電池因其較高的能量密度和高達(dá)2000 次以上的充放電循環(huán)（長(zhǎng)期使用不會(huì)產(chǎn)生明顯的容量衰減），從而被作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選方案。

我國(guó)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域持續(xù)深耕，并取得了一系列喜人的成就。過(guò)去十多年間，中國(guó)已快速成長(zhǎng)為全球最大的電動(dòng)汽車市場(chǎng)，電動(dòng)轎車?yán)塾?jì)銷量占世界總量的一半，電動(dòng)公交車和卡車?yán)塾?jì)銷量占世界總量的90%以上。在中國(guó)每座城市的街頭，懸掛綠色新能源牌照的電動(dòng)汽車越來(lái)越多，城市空氣質(zhì)量也有所改善。中國(guó)對(duì)鋰資源的需求量也保持著每年遞增30%的旺盛勢(shì)頭。平均而言，每生產(chǎn)一塊家用轎車的動(dòng)力電池需要9 千克鋰。在如今這個(gè)電動(dòng)汽車逐漸替代燃油汽車的新時(shí)代，掌握鋰礦資源就等于掌控了動(dòng)力電池的生產(chǎn)原材料。

鋰的重要性不僅體現(xiàn)在今天作為新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的重要原料，還體現(xiàn)在它未來(lái)在核聚變領(lǐng)域?qū)l(fā)揮的關(guān)鍵作用。全世界多個(gè)國(guó)家都在不斷研究可控核聚變，在可預(yù)見的未來(lái)，可控核聚變將是最有希望能全面替代化石能源的新能源。1 克鋰核聚變發(fā)電釋放的能量相當(dāng)于3.7 噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放的能量。鋰反應(yīng)堆只需要10 噸金屬鋰就能產(chǎn)生100 億千瓦時(shí)的電能。如果這項(xiàng)技術(shù)投入使用，無(wú)疑將打破人類目前在能源方面處處受限的局面，并有望緩解或逆轉(zhuǎn)因排放過(guò)量溫室氣體而導(dǎo)致的氣候變化。在鋰的十八般武藝中，作為可控核聚變?cè)鲜卿嚤患挠枳疃嘞Ｍ囊环N用途。

電動(dòng)汽車的鋰離子動(dòng)力電池

恒星普遍缺鋰，但也不是完全如此

氫、氦和鋰是宇宙中出現(xiàn)的第一批元素。太陽(yáng)和八大行星幾乎是在同一時(shí)期從星際云中誕生的，但太陽(yáng)的鋰豐度僅為地球的1/100，這是為何？太陽(yáng)的能量來(lái)自自身物質(zhì)聚變反應(yīng)。一些科學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)中的鋰元素會(huì)隨著參與聚變反應(yīng)、合成更重的元素而逐漸減少，也就導(dǎo)致了太陽(yáng)缺鋰。

雖然恒星缺鋰被認(rèn)為是普遍現(xiàn)象，但一些恒星中的鋰卻多得離譜。2018 年，一顆位于銀河系中心區(qū)域、距離地球4500 光年的古老恒星引起了天文學(xué)家的注意。這顆古老恒星的質(zhì)量不到太陽(yáng)質(zhì)量的1.5 倍，但鋰含量卻達(dá)到太陽(yáng)鋰含量的3000 倍！富鋰恒星的出現(xiàn)，刷新了科學(xué)家對(duì)恒星鋰元素豐度的認(rèn)知。