200年“鋰”程：從石頭到能源金屬 承德人和礦業(yè)

鋰元素的發(fā)現(xiàn)，距今已有200年。1817年的某天，瑞典化學(xué)家阿爾費特遜在其老師貝齊里烏斯的實驗室分析一種礦石時，發(fā)現(xiàn)了一種新元素，貝齊里烏斯將其定名為“lithium”。該詞源于希臘文，意思是“石頭”，用以表示該元素從石頭中發(fā)現(xiàn)，以有別于與之性質(zhì)相近的、分別從血液和草木灰中發(fā)現(xiàn)的鈉和鉀。漢語將其翻譯為“鋰”。這兩位化學(xué)家當(dāng)初應(yīng)該不會想到，這個新發(fā)現(xiàn)的名為“石頭”的元素，在21世紀成為了能源金屬。

鋰的獲?。簛碜詭r石、鹵水和海水

鋰在大自然中主要寄宿于巖石、鹵水和海水中，分別稱為硬巖鋰、鹵水鋰和海水鋰。人類要獲得鋰，就需要從這些物質(zhì)中提取。

鋰輝石是人類最先進行工業(yè)開發(fā)利用的鋰資源。1855年，德國化學(xué)家羅伯特本森和英國化學(xué)家奧古斯圖斯通過電解氯化鋰生產(chǎn)出大量可使用的鋰；1923年，德國金屬公司采用電解氯化鋰和氯化鉀的混合液工藝，鋰從此實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。

硬巖鋰礦找礦具有較大的風(fēng)險性和一定的挑戰(zhàn)性，從勘查、鉆探、樣品分析測試到開采、破碎、煅燒、選礦，每一個步驟都不簡單。由于從頭到尾都要消耗能源，成本比較高，對環(huán)境也會產(chǎn)生不利的影響。硬巖提鋰的成本基本為6～8美元/千克。

海水中賦存有巨量的鋰，約為2600億噸，是目前全球已查明鋰資源量的6500余倍，但其含量極低。海水提鋰主要有兩種途徑：一是直接從巨量海水中提取微量的鋰元素；二是從海水淡化后的濃海水或海鹽制鹽后的鹵水中提取。目前已有個別機構(gòu)正在實施濃海水提鋰新技術(shù)開發(fā)及中試線建設(shè)工作，但由于成本過高，尚不能進行商業(yè)化生產(chǎn)。

相比于從硬巖中提取鋰，鹽湖鹵水中提鋰有天然的低成本優(yōu)勢。鹵水中的鋰本身已是游離態(tài)或者是游離的化合態(tài)，鹵水提鋰時直接省掉了開采、破碎、粗級選礦。在橫跨智利和秘魯?shù)陌⑺ì斏衬械陌⑺ì數(shù)柠}湖,鹵水中富含鋰，其鋰金屬資源儲量高達630萬噸，約占全球的24%。1997年，智利化學(xué)礦業(yè)公司開始從阿塔卡瑪鹽湖中生產(chǎn)碳酸鋰，將碳酸鋰價格降至1500美元/噸，僅為同期國際價格的一半。這樣，鹽湖鹵水鋰以其低廉的價格極大地沖擊了世界各國的硬巖鋰業(yè)。自此以后，鹽湖鹵水提鋰也就基本取代了硬巖提鋰。

當(dāng)然，全球鹽湖鹵水鋰的資源稟賦并非都像阿塔卡瑪鹽湖一樣優(yōu)越。有的高鋰鹽湖由于地處高海拔、交通不便、能源物資供給缺乏，或者其鹵水中含有更高含量的鎂，種種因素都極大地增加了鹽湖鹵水的提鋰成本。不過，除了阿卡塔瑪鹽湖之外，還有不少與它類似的高品質(zhì)鹽湖存在，這些鹽湖能滿足目前及未來一段時間內(nèi)全球?qū)︿囐Y源的需求。

鋰的應(yīng)用：最廣泛的用途是動力燃料、核能和儲能

鋰被發(fā)現(xiàn)后的一段相當(dāng)長時間里，僅在玻璃陶瓷業(yè)、冶金工業(yè)、制藥業(yè)等行業(yè)進行了使用。相比之下，鋰最廣泛而重要的用途當(dāng)屬鋰能的應(yīng)用。而鋰能的應(yīng)用包括三個方面，動力燃料、核能和儲能。

鋰是用作火箭等燃料的最佳金屬之一。用鋰或鋰的化合物制成固體燃料來代替固體推進劑，用作火箭、導(dǎo)彈、宇宙飛船的推動力，不僅能量高、燃速大，而且比沖量極高，發(fā)動機利用一公斤鋰燃料可以持續(xù)產(chǎn)生推力290秒以上。

真正使鋰成為舉世矚目的金屬元素，是其優(yōu)異的核性能被發(fā)現(xiàn)后，被用作核聚變武器的生產(chǎn)。上世紀五六十年代的冷戰(zhàn)時期，是人類首次對鋰的顯著需求期。鑒于它在原子能工業(yè)上的獨特性能，人們開始稱鋰為“高能金屬”。

令人鼓舞的是，從上世紀90年代起，隨著鋰離子電池的發(fā)明和應(yīng)用，鋰第二次受到全球矚目，并開始服務(wù)于人類的進步與和平。

鋰離子電池的研發(fā)是企業(yè)家和科學(xué)家們多年不懈努力的結(jié)果。上世紀70年代，英國化學(xué)家懷特漢姆提出鋰電池的概念，將金屬鋰作為負極材料。不過，鋰金屬成本昂貴且易燃易爆，安全性不好。之后，慕尼黑技術(shù)大學(xué)的本森哈得發(fā)現(xiàn)，石墨和陰極氧化物嵌入的可逆性，并提出可用于鋰電池應(yīng)用。1980年前后，斯坦福大學(xué)高德紹與牛津大學(xué)古迪納夫、米祖矢瑪，分別發(fā)明了鈷酸鋰作為正極、鋰金屬為陰極的可充電鋰電池。1985年，日本旭化成株式會社的吉野彰使用碳材料組裝了一個原型電池，鋰離子可插入其中作為電極，而空氣中穩(wěn)定的鈷酸鋰作為另一極。這種電池的安全性大大提高，而且鈷酸鋰可工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，標志著鋰離子電池的正式誕生。

終于到1991年，索尼公司和旭化成株式會社宣布首個商用鋰離子電池研制成功。由此，鋰離子電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。

較高的安全性、可充電性、高容量性、體積較小，鋰離子電池的這些優(yōu)越性能，加上鹽湖鋰獲取的低成本，越發(fā)激發(fā)了企業(yè)家和科學(xué)家研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的熱情。從電腦、手機等信息終端的微型化，到汽車的電動化，再到將來儲能設(shè)備家庭化、核聚變能，鋰作為一種能源金屬將帶領(lǐng)我們步入更加綠色環(huán)保的明天。