锂的十八般武艺

2023-03-08编译邵峰

大自然探索 2023年2期

编译邵峰

精神药物、核武器、动力电池……3号元素锂为何如此多才多艺？为什么它是一种战略性矿产资源？

巨型锂矿带就在青海省！

金属锂是第三号元素，在地壳中的丰度约为0.0065%。地壳中丰度最高的前四种元素依次是氧、硅、铝和铁，锂只能排到第27 位。按照锂矿的形态，锂资源主要有三类：卤水型（约占66%）、伟晶岩型（约占26%）和沉积岩型（约占8%）。

2021 年，全球已探明的锂资源为8900 万吨，其中56%位于智利、阿根廷和玻利维亚三国交界地带的高山盐湖和盐沼，形式为盐湖卤水锂。这三国因为掌控着庞大的锂资源，也被称为“南美锂三角”。我国锂资源约占全球锂储量的6%（不包括新探明锂储量），且主要为盐湖卤水锂。据青海省地质调查院2021 年12 月公布的信息，我国地质科研工作者在青海省巴颜喀拉地区发现了一条巨型锂矿带，并且是一条锂、铍等稀有元素的超常富集带。这次大型锂矿的发现，大大扩充了我国的已探明锂储量，为国家今后的发展增加了不少底气。

盐湖卤水锂

矿石锂

又软又轻的锂，竟然有如此多的用途？

尽管锂在地壳中不算特别稀有，但它却有“稀有金属”之称，普通人很少见过它的金属形态。具有银白色光泽的锂金属如黄油般柔软，重量轻、密度小、非常易燃。煤油是实验室保存金属单质的常见液体。完全浸入煤油的金属不会再与氧气接触，也就能避免被氧化。不过，金属锂的密度比煤油还小，无法完全浸入煤油，因此，一般采用固体石蜡将锂和外界空气隔绝。

1817 年，25 岁的瑞典人阿尔费德森在实验室中分析一块矿石标本。分析结果显示，这款矿石含有97%的硅化物，但无论他如何测定，剩下的3%的成分依然成谜。最终，他确认这3%是一种新元素。他将这个发现告诉了他的导师，后者将这一新元素命名为“lithium”（锂），在希腊语中，“lithos”（lithium 一词的词根）的意思是石头。其实，阿尔费德森发现的并非是纯锂，而是锂的化合物。直到1821 年，化学家布兰德借助电解法，才第一次获得了纯净的锂金属。锂的化学性质比较活泼，单质锂能与水缓慢发生反应，在所有碱金属中，锂和水的反应过程是最温和的。

锂不仅在电池领域发挥着举足轻重的作用，被誉为有望替代石油的“白色石油”，更在医疗、工业、核能等领域发光发热，真可谓“有锂走遍天下，无锂寸步难行”。我国将锂划入24 种战略性矿产资源之一，其重要性可见一斑。

锂盐：大自然赠与精神科的礼物

1929 年，一位名叫格里格的美国商人向市场推出了一款含有柠檬酸锂的饮料。锂饮料上市造成了不小的轰动，并很快在几年内一跃成为美国饮料市场的龙头产品。

为什么商家要在饮料里添加锂呢？这是因为当时的人们发现，在一些市政供水中含有天然锂元素的地区，抑郁症发病率和自杀率都低于其他地区。锂具有改善情绪的特质，促使格里格将柠檬酸锂作为他开创的新饮料的卖点。然而，短短几年后，这款饮料就因为安全问题被当局禁止销售，原因是无节制地摄入锂盐会引发肾脏出现问题。

虽然锂饮料从此销声匿迹，但在后来的日子里，科学家逐渐发现了锂在治疗精神疾病方面的突出作用。1944 年，澳大利亚医生凯德注意到，含锂井水似乎有助于治疗某些精神疾病。实验证实了他的猜测：仅仅一针碳酸锂注射液，就能让躁狂症豚鼠安静下来，沉沉睡去。1949 年，凯德公开了他关于锂盐能治疗躁狂症的发现。20世纪60 年代，锂盐的应用又改变了抑郁症的治疗方式。进一步研究表明，锂盐似乎会影响大脑某些神经递质（如去甲肾上腺素、多巴胺和血清素）的活动。作为人类首次发现的情绪稳定剂，锂盐在治疗躁狂、抑郁和双相障碍（时而躁狂、时而抑郁）方面具有显著效果，并能明显消解某些患者强烈的自杀情绪。直到今日，锂盐依然是治疗精神疾病的一线药物之一，被誉为大自然赠与精神科病患的礼物。

碳酸锂注射液能让躁狂豚鼠安静下来

锂6：制造氢弹少不了它

锂同位素是制造氢弹的必要原料之一。人类引爆过的威力最大的纯裂变式核武器是美国引爆的“常青藤之王”（50 万吨TNT 当量），其爆炸威力是美国投放在日本广岛的原子弹的25 倍。不过，“常青藤之王”的爆炸威力还是无法和氢弹这类聚变式核武器相提并论。迄今威力最大的氢弹是俄罗斯的“沙皇炸弹”（又名“恐怖伊万”），其TNT 当量为5000 万吨，爆炸时产生的火光在1000 千米外都清晰可见，氢弹蘑菇云升腾到64 千米的高空，爆炸产生的能量甚至让欧亚大陆发生了轻微位移。

爆炸威力惊人的氢弹就是以氘化锂6 为反应原料的

氢弹爆炸的原理

氢弹的装料为氘（氢2）和氚（氢3），但氘和氚在常温常压下为气态，使用起来十分麻烦。1953 年美国的第一次氢弹原理实验，就采用了大量冷却设备来使氘和氚保持液态。然而，这个氢弹的质量达到了无比夸张的65 吨，即便它有1040 万吨TNT当量的爆炸威力，这么大质量的氢弹也根本无法用轰炸机投送。鉴于此，氢弹中的装药一般为固态的氘化锂6（锂有锂6 和锂7 两种同位素）。在氢弹中，每1 千克氘化锂6 完全反应，能释放4 万~5 万吨TNT 当量的爆炸威力。锂6 对氢弹的重要意义使其成为一种被各国严格管控的战略金属。

诺奖被授予锂离子电池的三位贡献者

能量密度高且轻便的锂离子电池的问世之路充满了艰辛和坎坷。20 世纪70 年代石油危机期间，石油短缺迫使人们开始寻求新能源。美国石油巨头埃克森美孚公司的化学家惠廷厄姆开始探索一种能够替代石油能源的新型充电电池，这种电池必须具备能量密度高和充电时间短的优点。在一次试验中，他使用二硫化钛作为电池正极，金属锂作为负极，制作出首个锂电池，但这种方案导致电池短路并起火，埃克森美孚公司于是决定停止该方案的后续试验。

20 世纪80 年代，美国固体物理学家古迪纳夫尝试使用钴酸锂代替二硫化钛作为电池的正极，结果这种新型锂离子电池的能量密度大大超出所有人的预期，几乎是同时期其他类型电池能量密度的2 倍，但可惜的是该方案依然没有解决易燃问题。

几年后，日本科学家吉野彰用石油焦替代古迪纳夫方案中的负极材料金属锂，从而解决了易燃问题，这个突破宣告首个能够稳定工作的锂离子电池的诞生。2019 年的诺贝尔化学奖被共同授予惠廷厄姆、古迪纳夫和吉野彰，以表彰他们为锂离子电池发展做出的杰出贡献。

锂离子电池是如何工作的？

电池有正极和负极。通常情况下，负极材料为碳，正极材料为金属氧化物（如氧化钴）。正负极间充斥着电解液（锂离子电池中的电解液就是锂盐）和将电池两极隔开的隔膜。锂离子电池放电时，带正电的锂离子穿过隔膜，向正极移动，这造成正极的正电荷增多。受正电荷吸引，带负电荷的电子也向正极运动，由此形成电流。然而，电子因无法穿过隔膜，只能选择走外电路，穿过用电器做功后再回到正极，这就是锂离子电池驱动电器工作的过程。

锂离子电池放电时，锂离子从负极移动到正极，导致正极对电子的吸引力变强，电子从负极经用电器流向正极。

改变世界的锂离子电池

如今，锂离子电池的广泛应用在很大程度上改变、甚至颠覆了我们过去的生活方式。早期的民用手机“大哥大”的电池重量占机身重量的1/2。“大哥大”采用的是镍镉电池，容量一般为500 毫安。而今天，手机采用的锂离子电池的容量一般都达到4000 毫安，重量却更轻。锂离子电池不但为移动设备减了重，延长了使用时间，使用起来还更方便。在老一辈的印象中，镍镉充电电池使用起来需要尤其注意一点：如果某次充放电不完全，就会对电池容量产生永久性影响，这被称作“记忆效应”。而锂离子电池就不存在“记忆效应”这个缺点。

“大哥大”笨重，很大程度是因为镍镉电池太重

以锂离子电池为能源的考察车不惧低温

1996 年，日本研发出了全球首台锂离子电池电动汽车，日本国立极地研究所北极观测中心将其作为支援车，在严寒的北极使用了 6 年之久，在此期间，锂离子电池耐用耐寒的特性被人们所了解。进入21 世纪，电动汽车产业迅猛发展，锂离子电池因其较高的能量密度和高达2000 次以上的充放电循环（长期使用不会产生明显的容量衰减），从而被作为电动汽车动力电池的首选方案。

我国在电动汽车领域持续深耕，并取得了一系列喜人的成就。过去十多年间，中国已快速成长为全球最大的电动汽车市场，电动轿车累计销量占世界总量的一半，电动公交车和卡车累计销量占世界总量的90%以上。在中国每座城市的街头，悬挂绿色新能源牌照的电动汽车越来越多，城市空气质量也有所改善。中国对锂资源的需求量也保持着每年递增30%的旺盛势头。平均而言，每生产一块家用轿车的动力电池需要9 千克锂。在如今这个电动汽车逐渐替代燃油汽车的新时代，掌握锂矿资源就等于掌控了动力电池的生产原材料。

锂的重要性不仅体现在今天作为新能源电动汽车动力电池的重要原料，还体现在它未来在核聚变领域将发挥的关键作用。全世界多个国家都在不断研究可控核聚变，在可预见的未来，可控核聚变将是最有希望能全面替代化石能源的新能源。1 克锂核聚变发电释放的能量相当于3.7 吨标准煤完全燃烧所释放的能量。锂反应堆只需要10 吨金属锂就能产生100 亿千瓦时的电能。如果这项技术投入使用，无疑将打破人类目前在能源方面处处受限的局面，并有望缓解或逆转因排放过量温室气体而导致的气候变化。在锂的十八般武艺中，作为可控核聚变原料是锂被寄予最多希望的一种用途。