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“锂”清过去，“锂”解未来

返朴 2022-01-30 浏览9次

关键金属，是指对新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军工等新兴产业具有不可替代的重要用途的一类金属元素及其矿床的总称，主要包括稀有金属(如Li?Be?Rb?Cs?Nb?Ta?Zr?Hf?W、Sn等)、稀土金属(La?Ce?Pr?Nd?Sm?Eu?Gd?Tb?Dy?Ho?Er?Tm?Yb?Lu?Sc?Y)、稀散金属(Ga?Ge?Se?Cd?In?Te?Re?Tl)和其他稀少稀贵金属(PGE?Cr?Co等)，可简称为“四稀”元素，是当今社会必需、但安全供应存在风险的一类金属。它们对国家安全和新兴产业的发展具有重大战略意义。

撰文 | 洪涛研究小组

“锂”论知识问答

下列选项中哪些有锂元素的参与？

A、电脑、手机中的电池

B、玻璃、陶瓷、润滑剂

C、氢弹、原子能工业

D、火箭、导弹、宇宙飞船

答案是——全都有！知道答案的你有很多疑惑吧？锂究竟是什么？又如何走进了千家万户，还能飞上九霄云外呢，让我们一起探索“锂”的世界。

寻根：揭开“锂”的面纱

1800年，来自巴西的化学家、商人José Bonifácio de Andrada e Silva在一个瑞典的Ut?小岛上发现了透锂长石(LiAlSi4O10)。

随后，1817年瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿韦德松(Johann August Arfvedson)在分析透锂长石时终于发现了其中的特殊元素。

他把这个扔到火里会出现浓烈的深红色火焰的“未知”金属以希腊文“lithos（石头）”为源命名为Lithium。

瑞典化学家Johan August Arfwedson，1792年1月12日-1841年10月28日(图片源自：https://www.lithiaworks.com/history-of-lithium)

但是，此后的50年里，一直都没有人能够分离出大量的锂。直到1855年，德国化学家Robert Bunsen和英国化学家Augustus Matthiessen通过电解锂获得了大块的锂，从此开启了锂元素“辉煌的开挂之路”。

锂在化学元素周期表处于第三位，是密度最小的金属元素。单质锂为银白色，又被称为“白色石油”，小刀就能轻松切开。但可千万别小看它，锂的化学性质可是非常活泼的，尤其是在燃烧时，像局部火山喷发，最后变成一团星云，在吃货眼里或许更像一朵花椰菜。

金属锂元素的物理化学性质十分特殊：熔点低（180 ℃）、沸点高（1327 ℃）、密度小、热容量大、导热性强、泵送功率小、中子吸收截面大，是可控热核反应堆的再殖氚（T）的理想材料。

除此之外，锂的原子量小(6.49)，电化当量高(3.87Ah/g)，电负性低(-3.045 V)，电阻低，导热性好，利于电极集流，密度小，易获得高比能量，也是电池的理想电极材料。

图源金属百科-锂的用途和应用领域

追索：没“锂”不行

1949年以前，我国锂工业还是一个空白。随着新疆锂资源的开发，相继建成了采、选、冶配套工艺，新中国飞速的经济发展也离不开锂的广泛应用。

自1817年锂元素被初次发现已经过去了200多年，起初，锂的应用仅限于玻璃、陶瓷和润滑剂。锂最先在工业中用作润滑剂的增稠剂，加一滴锂润滑剂在车零件上，就足以用到汽车报废！

二战后，在原子能工业上的应用，让锂元素摇身一变，成为了“高能金属”。值得一提的是，1967年6月17日，中国成功爆炸第一颗氢弹，就是用氚化锂充当炸药。

我国第一颗氢弹爆炸丨图源：中国共产党新闻网

新中国成立以来，航空航天事业飞速发展。其中也少不了锂元素的身影，用锂和锂的化合物制成的固体燃料，能量高、燃速大、比冲量高，非常适合作火箭、导弹和宇宙飞船的推进剂。

C919国产大型客机采用了铝锂合金材料，减少飞机的结构重量丨图源：百度图片

锂与多种金属组成轻合金、耐磨合金等，将成为新一代航天航空的新型结构材料，越来越多的行业离不开“锂”。

在现代，锂元素的主要消费领域无疑是电池产业。随着电子产业迅速发展，锂电池凭借使用寿命长、自放电率低、具高功率承受力、绿色环保等特点走进千家万户。

1970年4月24日，我国第一颗卫星“东方红一号”，出于轻便的要求，用的就是锂电池。

左：锂纽扣电池，右：东方红一号卫星丨图源百度图片、百度百科

如何“锂”用，寻“锂”千百度

锂的应用如此广泛、性质如此特殊，我们不禁要问，从哪里能够获取锂资源？如何才能高效地利用这些锂资源呢？

在自然界中，Li主要赋存于花岗伟晶岩、花岗岩和盐湖卤水中。从盐湖卤水的LiCl中提取的Li一般只能生产工业级碳酸锂。

从盐湖卤水中提Li流程图丨H. Bae and Y. Kim，2021

从富锂(锂辉石和锂云母)的矿石中提出的锂，先是粗制碳酸锂，再到工业碳酸锂，才能运用到电池级碳酸锂的生产中。

富锂的矿石主要有锂辉石、锂云母、锂电气石和锂磷铝石，这些富锂的矿物主要存在于花岗伟晶岩中。

天然锂辉石以α相存在。1050℃以上，逐渐变成β相，在高压(1.5 GPa)下，能够产生γ相，不同的晶体结构表现出不同的性质。

图片来源：尚玺等: 富锂矿物的锂提取与战略性应用.2019.

锂辉石提锂工艺主要包括酸法、碱法、高温氯化以及盐焙烧，其中硫酸法是最常用、最成熟的。

一般为片状或鳞片状集合体

呈玫瑰色或浅紫色

锂电气石-

环状硅酸盐矿物，常见有红色(含锰)、绿色(含铬和钒)以及黄色、蓝色、白色等。

锂电气石（图片来源：https://www.mindat.org/min-1364.html）

当前，锂需求激增。从锂云母中提取锂盐日益受到重视，锂矿公司逐年加大产能投入。江西省宜春市实现了锂云母提锂产业化利用，当地企业（如江特电机、永兴材料）采用复合硫酸盐焙烧工艺提锂，使得锂的产能大幅增长。

此外，锂电产业的暴富效应，让更多的企业加入到锂资源的投资开发中。赣锋锂业、天齐锂业、盛新锂能、盐湖股份、西藏珠峰、融捷股份、永兴材料、江特电机等都是锂资源开发的佼佼者。锂是新能源战略性矿种，锂资源的开发更是锂行业价值链的第一环，优质的原材料更是公司可持续发展的先决条件，越来越多的企业开始“走出去”（赣锋锂业、天齐锂业、盛新锂能、中矿资源、宁德时代等）。

作为全球领先的锂产品生产商，天齐锂业先后控股泰利森参与西澳格林布什锂矿的开发（全球在开采的最大的硬岩型锂矿），同时入股智利矿业化工（全球最大的盐湖提锂公司），能够获得稳定的海外锂原料供应。

图片来源：天齐锂业官方网站

目前矿石提锂工艺不少，但仍然存在药剂消耗量大、成本高、废渣难以利用以及环境污染严重等问题。也有很多方法仅停留于实验室研究阶段，不具有经济性和可操作性。如何研发出绿色环保、高效利用的提锂技术，是亟需关注的重点问题。

开采锂矿造成的环境污染丨照片来源：
https://image.baidu.com/search/index?tn=baiduimage&ps=1&ct=201326592&lm=-1&cl=2&nc=1&ie=utf-8&dyTabStr=MCw1LDEsNiw0LDMsNyw4LDIsOQ%3D%3D&word=锂矿环境污染

探索：湖“锂”硬“锂”，去哪找“锂”

全球6大洲都有分布，总储量约1700万吨，种类十分丰富。

但世界各地锂资源量及储量参差不齐，储量名列前茅的国家主要有智利、澳大利亚、阿根廷、中国、刚果金、玻利维亚、美国、加拿大、津巴布韦、巴西。

全球主要锂矿床分布图（标示了近年来新发现的矿床）（据刘丽君等：国内外锂矿主要类型、分布特点及勘查开发现状，2017）

按照不同的构造和赋存环境，锂矿的成因类型主要可以归类为盐湖卤水型、伟晶岩和花岗岩型（硬岩型）和沉积岩型。

主要的盐湖卤水型锂矿床多产出于山间盆地、板块大陆边缘火山弧后盆地等，以及新生代地质活动较活跃构造区域。世界已知重要的含锂盐湖有智利阿塔卡马(Atacama)、玻利维亚乌尤尼(Salar de Uyuni)、阿根廷翁布雷穆埃尔托(Hombremuerto)、美国“银峰”（Silver Peak）、美国西尔斯（Searles）、美国大盐湖(Great Salt Lake)、中东死海(Dead Sea)。

玻利维亚Salar de Uyuni丨照片来源https://www.sohu.com/a/162935859_383632

硬岩型锂矿床多产出在花岗质伟晶岩矿脉中，常与花岗岩侵入体共生，这一类锂矿的开采，多以露天开采为主。

世界上较知名的几个大的露天开采的硬岩型锂矿大部分在澳大利亚。

中国锂矿资源——丰富多样、分布广泛。我国硬岩锂矿床，大多形成于中-新生代，主要分布于松潘甘孜、西昆仑、阿尔泰、喜马拉雅、华南。盐湖卤水型矿床主要形成于新生代，主要分布在西藏和青海。

所探明的锂矿床分布于我国９个省（自治区）主要集中在青海、西藏、四川、江西、湖南、新疆等六省（自治区），六省（自治区）合计查明资源储量占全国锂查明资源储量的98%以上。

我国锂矿资源分布图（据刘丽君等：国内外锂矿主要类型、分布特点及勘查开发现状，2017）

我们一起来欣赏锂矿原产地的风景，十分的靓丽。

察尔汗盐湖，地处柴达木盆地南部，面积大约5856平方公里，中国最大、世界第二大的盐湖，是我国典型盐湖卤水型锂矿床。

中国新疆准格尔盆地典型伟晶岩硬岩型锂矿，可可托海三号脉，它是中外地质学者心中的“耶路撒冷”，它是举世闻名的“地质圣坑”，它是共和国的“功勋之矿”。

由于锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素，所以，锂并不是只在地球有分布。2018年，中国科学院发现了一颗奇特天体，它的锂元素含量约是同类天体的3000倍，是目前人类已知锂元素丰度最高的恒星，是新发现的富锂巨星，编号为TYC429-2097-1。

不同类型的锂矿开采价值也有所不同。花岗伟晶岩型锂矿品位高、易于开采，碳酸盐型盐湖卤水锂易于提取、成本低。

未来：“锂”清家底，强国有“锂”

随着锂产业持续高速发展，中国建立了完整的锂产业链（上游、中游、下游），是目前世界第一的锂消费大国，几乎占用40%的原锂资源，为此要大量进口锂的对外依存度高达74%。

据翟明国等（2020）

我国矿石提锂技术相对成熟，但锂资源自给能力弱，对外依存度长年居高不下，易受国外资源供应制约，是中美关键金属相互制衡的重要博弈的金属能源之一。

锂资源的国际市场由少数几个跨国公司控制，其中智利公司SQM（智利矿业化工）、美国公司Albemarle Corp（雅宝）、Livent 公司近占有三分之二的产量，另外三家是进入国际市场的中国公司：天齐锂业、赣锋锂业和盛新锂能。随着中华民族崛起的进程，他们也在持续发挥着影响力。中国也将在未来锂的贸易和定价权博弈中，发挥更重要的作用。