碳中和目標下的鋰礦產業創新及顛覆性技術

吳西順 ，王登紅 ，楊添天 ，姚翔 ，張惠 ，邵明娟 ，張煒 ，劉丹

（1.中國地質調查局國際礦業研究中心，北京 100037；2.中國地質調查局地學文獻中心，中國地質圖書館，北京 100083；3.自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；4.北京電子科技職業學院，北京 100176；5.中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075）

全球氣候變暖，極端天氣增多，主要原因是工業革命以來人類活動破壞了地球自身平衡。聯合國數據顯示，大氣中CO2的濃度由1750 年的280×10-6增長到2019 年的(409.9±0.3)×10-6[1],突破了原有自然變化區間,成為引發全球氣候變暖的主要原因。工業革命后,人類行為成為地球溫室氣體最主要的來源，其中3 個主要CO2源是:化石燃料燃燒、工業過程和土地利用變化[2]。因此，碳達峰與碳中和成為世界氣候大會的最重要課題，各國均應積極應對采取措施。李采等（2021）提出基于“ 減碳”“ 增匯”“ 封存”的地質解決路徑有助于實現各國“雙碳”目標[3]。在這些宏觀目標和具體路徑的實現上，鋰礦資源將發揮多方面軍的巨大基礎和先導作用。

1 鋰在儲能領域將推動低碳社會建設

眾所周知，新能源汽車等低碳環保產品本身具有替代化石燃料的巨大減碳價值而備受推崇，并由此強勁拉動鋰鈷鎳等戰略性關鍵金屬的巨大需求。據統計，一輛普通的電動汽車電池板需要約8 kg 的鋰、35 kg 的鎳、20 kg 的錳和14 kg 的鈷。除了鋰離子電池，電池制造商麻省固能（SES）公司還開發出世界最大鋰金屬電池，陰極、陽極和電解液都使用鋰元素而大大改善電池性能，并有望在2025 年前商業化應用于電動汽車從而也大大強化了鋰需求容量[4]。特斯拉公司正在通過電動汽車、太陽能屋頂電池板以及家庭企業的綜合可再生能源解決方案，鼓勵網絡家庭用戶利用VTOG（雙向逆變充放電技術）將多余電量銷售匯集到公司進行儲能而加速世界向可持續能源轉變。蘋果、谷歌也都在經營太陽能、風能、水電等“綠電”的網絡匯集與銷售。一旦清潔電能存儲普及化全球，世界低碳社會即為期不遠。這一切都以儲能技術為基礎，而其中“能源金屬”鋰將占很大的市場比重。鑒于此，鋰礦全產業鏈的政策與技術優化，對于應對全球氣候變暖和實現“雙碳”目標具有重大歷史和現實意義。

用低碳技術取代化石燃料需要將可再生能源投資增加8 倍，并導致對金屬的需求大幅增加。許多國家都設定了“脫碳”和“減碳”目標，在此背景下，電動汽車行業發展迅猛，對電池金屬特別是鋰的需求正加速增長。2015 年前后，充電電池市場就成為了全球鋰需求增長的主要推動力。可充電電池的重要終端市場包括電動汽車、便攜式電子、電動自行車和儲能系統（ESS）等多種產品，其中電動汽車和混合動力汽車是主要的需求增長點。到2020 年，可充電池占鋰總需求的65%，預計到2025 年這一比例將超過80%。2020 年，電動和混合動力汽車占鋰離子電池需求的70%以上，預計到2031 年，這兩個領域的鋰用量比重將持續增加（圖1）[4]。由此可見，綠色環保鋰供應鏈的發展將影響到所有下游消費端，包括汽車、陶瓷、玻璃和建筑行業的應用。

圖1 充電電池鋰市場細分趨勢Fig.1 Rechargeable battery lithium market segmentation trend chart

2 鋰在新核能領域將大放異彩

“可控核聚變”作為全世界僅次于國際空間站的第二大國際合作大計劃項目，將為新核能的應用開拓道路。據研究，1 g 鋰放出的有效能量最高達8500～72000 kw/h，比普通核能235U 裂變所產生的能量大8 倍，相當于3.7 t 標準煤[5-6]，而且是“零碳”排放。將來可控核聚變技術一旦成熟和商業化，新核能氫聚變大量代替燃燒煤，中國的環境保護問題將會得到極大的改觀。我國是國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃的成員，超導托卡馬克裝置“東方超環（EAST）”2006 年以來多次取得突破，全球首次實現了101 s 穩態高約束運行模式，相當于穩定地“燃燒”了上百秒，向“人造太陽”工程更進了一步，標志著人類離實現可控核聚變的夢想越來越近。目前的“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”（CRAFT）將成為國際磁約束聚變領域參數最高、功能最完備的綜合性研究平臺。中國磁約束核聚變研究的最終目標就是要率先在中國實現核聚變發電。這都與6Li 同位素密切相關。

川西鋰礦國家級戰略基地蘊藏著極為豐富的6Li 重要戰略資源[7-8]。而據研究，由于6Li 相對7Li旋磁比和同核偶極相互作用低得多,具有較高分辨率,對于強超精細相互作用樣品往往通過6Li NMR可獲得較好的分辨率[9]。6Li 同位素通過核磁等先進傳感器即可以在探采過程的早期就予以分辨、識別并分離出來。與液體NMR 相比,固體NMR中具有很強的偶極相互作用、化學位移各向異性相互作用和核四極矩作用而導致譜峰寬化,而通過高轉速魔角旋轉(MAS)方法可完全消除或部分消除這些相互作用,提高譜圖分辨率,獲得高分辨核磁共振譜[10-11]。在鋰離子電池材料的NMR 研究中,一般采用Li 核(7Li 和6Li)作為探針表征其中的結構變化。6Li (I=1)相對7Li(I=3/2)具有較低的自然豐度和旋磁比，6Li NMR 核磁譜線有較高的分辨率，只是靈敏度低很多。雖然在抗磁性材料中，6,7Li 化學位移區間非常小而難以分辨不同環境的共振信號，但幸運的是大部分鋰離子電池正極材料含有順磁性的過渡金屬離子，負極材料具有導電性，使得6,7Li 核磁共振信號受到未成對電子也就是費米接觸作用的影響產生費米接觸位移或者受導電電子的影響產生 Knight 位移[12-14]而偏離0，與抗磁性環境相區別。因此，我們可以通過6，7Li NMR 譜來研究和識別鋰元素在固體材料的局域結構。我國已經采用非原位固體MAS NMR 來研究鋰離子而獲得高分辨 NMR 譜圖，并用于電池材料的充放電機理研究，但是在礦業行業采選礦環節并未開展相應應用研究。目前西方發達國家正在大量測試MR 選礦技術，也并未用于鋰礦行業，因此我國應盡快加強這一方面的研究。如能繼續完善成熟則有望實現鋰同位素的識別與分離從而為可控核聚變這一終極能源發展上貢獻力量，并形成超越西方發達國家的先進技術。

3 技術創新和非常規資源利于碳排放強度降低

綠色鋰供應鏈非常重要。目前，不同來源渠道的鋰產品所含二氧化碳排放強度差異較大（見圖2），鹵水生產商的排放強度最低[4]。鋰輝石生產鋰鹽時，二氧化碳排放強度較高，究其原因是鋰鹽企業加工鋰輝石的冶煉過程中主要電力來自燃料煤，而鹵水生產商則以天然氣和柴油為主要能源。因此，雖然目前鋰行業已經在努力降低產業鏈的碳排放強度，但到2030 年鋰生產過程中的二氧化碳排放量預計仍將增加約5 倍至1000 萬t（范圍1 和 2）。但據國際能源署2050 年凈零排放路線圖，可再生能源的電力份額將從目前的10%左右上升到60%，這得益于太陽能、風能和水電；而化石燃料將相應地從近80%減少到20%左右。目前看來，隨著下游市場對其供應鏈的可持續性關注度越來越高，鋰生產商的排放足跡在未來幾年將受到更嚴格的審查。由于歐盟將對進口電池實行排放限制，中國政府也將對二氧化碳排放實施更嚴格的監管，能源金屬鋰產品的生產預計將進行較大的調整和洗牌。而在這個過程中，技術創新將愈加重要，企業可以通過開采技術的創新來擴大儲量，而進一步的勘探工作可能會增加未來的金屬供應，以滿足未來的需求。

圖2 硬巖鋰和鹽湖鋰產業的碳排放強度對比Fig.2 Comparison of carbon emission intensity between hard rock lithium and salt lake lithium industries

由于鋰礦行業的快速發展以及全球氣候變化和生態保護的推行，鋰礦采選冶領域的技術創新近幾年涌現了很多，例如非常規的鋰云母的濕法提取技術、鋰礦石的預富集技術、低能耗鋰輝石浸提技術，其中有一些甚至是顛覆性技術[15-16]，如MR 核磁預富集選礦法等。雖然近期我國一些智能選礦技術發展較快，能大大提高效率，減少排放和降低成本，但是引領這些技術創新的仍主要分布在西方發達的國家，而且這些創新都有相應的專利保護，在不同程度上存在“卡脖子”的問題。因此，在碳中和目標的推動下，我國企業應加大研發R&D 力度包括人員和經費，建立技術聯盟避免重復建設和加快技術進步，盡快實現關鍵領域、關鍵技術的實質性突破創新。

據作者調查，國內對于鋰云母的提煉仍主要是火法煅燒提取的技術（如贛鋒鋰業），相比之下國外則在積極發展和應用濕法提鋰技術并形成了商業化專利技術。例如，澳洲鋰業公司已經開發出了兩種專門工藝，無需焙燒即可從硅酸鹽中回收鋰。這兩項技術都有潛力成為不僅提供一種低能耗的生產鋰產品的方法，而且還可以利用原本不會被利用的廢料來革新鋰的生產工藝。其中，SiLeach?（見圖3）無需烘烤即可處理鋰云母（低能耗）從而生產鋰化學品以及一系列有價值的副產物，其中包括堿金屬鹽、二氧化硅（作為無定形固體或硅酸鈉），最重要的是硫酸鹽鉀肥（SOP），一種常用的肥料。該技術已在澳大利亞新南威爾士州盧卡斯高地的澳大利亞核科學技術組織（ANSTO）設備中進行了廣泛的試點測試。2018 年，第二代技術的中試工廠使用的是從西澳大利亞州卡爾古利（Kalgoorlie）地區的礦山廢料中回收的廢料作為生產線輸入端的原材料。盡管SiLeach?可以生產碳酸鋰作為主要產品，但生產的磷酸鋰已成為首選的化學產品，因為工藝條件得到了改善，最終產品中雜質含量較低。而且，磷酸鋰與VSPC 的陰極粉末生產技術相兼容。此外，當將磷酸鋰用于生產LFP 陰極粉末時，不需要使用更昂貴的氫氧化鋰作為原料。第二代中試工廠在2019 年又升級為第三代版本。第三代技術將持續融合所有的工藝步驟，還將包括拋光步驟以進一步提高產品質量。最終產品將再次通過VSPC 澳大利亞工廠生產的LFP 鋰離子電池進行測試。

圖3 SiLeach? 工藝流程Fig.3 Process diagram of SiLeach

鋰輝石的傳統回收鋰過程也面臨著技術革新，一般“選冶”過程（需要焙燒以實現從α 相態到β 相態鋰輝石的相變，酸烘烤和水浸）是高耗能的，并且會產生大量的硫酸鈉。實際上，處置后者可能是該過程任何涉及面廣泛的致命弱點。焙燒在帶有逆流氣流的回轉窯中進行，該過程對進料粒度非常敏感。這種敏感性導致商業鋰輝石產品具有相對較大的粒徑。在鋰輝石濃縮過程中，過小的顆粒會流失到尾礦中去，因為它們不適合焙燒。結果，硬巖鋰輝石生產的大多數回收率低于70%鋰，通常低至50%。因此，常規冶煉過程的主要限制因素是：（1）碳酸鋰/氫氧化鋰的生產過程中不可避免產生副產物問題；（2）細粒的鋰輝石精礦由于無法處理而導致資源利用不佳。國外新開發的LieNA?是一種苛性堿轉化工藝，專門設計用于從鋰輝石中回收鋰而無需進行焙燒，故低耗能。該技術涉及在苛性堿溶液中在高溫度下發生相變，其方式類似于從α 相到β 相鋰輝石晶型的常規轉化，但是在LieNA?相變過程中產生的固體產物易于浸出。此外，這項新工藝中使用的許多試劑（苛性鈉）都是可回收的。概括地說，與當前現有技術和競爭性技術相比，新LieNA?的優勢在于：（1）降低能耗；（2）占地面積較小；（3）適用于精細進料；（4）產生的硫酸鈉副產物量最少；（5）許多關鍵加工試劑能被回收。ANSTO 公司已對該工藝進行了規模性生產評估，后續測試和改進也在進行中。

4 先進傳感和顛覆性技術將大幅減少碳蹤跡和環境壓力

由于先進傳感器技術能夠盡早提前拋廢提純，能大大減少能耗，大幅度減少碳蹤跡和環境壓力[17]，因此鋰礦的探采選冶有壓力也有動力采用先進傳感技術，來優化流程以促進行業的高質量發展[18]。作者經過專利、論文、報告、訪談、考察、網絡、微信、媒體等多源跨系統性綜合分析研究，精選出對于鋰礦產業具有顛覆性創新特點的核磁探測技術并簡要闡述其技術特征和經濟特點[15-16]。

磁共振（MR）屬于一種先進的穿透力強的傳感技術，已被業界認為是顛覆性技術創新。極快速、極準確的磁共振（MR）技術雖然在醫學領域應用較廣，在電池分析方面也有研究成果，但是將核磁共振應用到采選礦等礦業領域仍然是相對較少。然而，一旦推廣應用起來，必將對探采選冶各領域帶來一系列革命性的變化，同時也能夠更加準確的分離不同的同位素種類，其中鋰同位素可以應用于未來的商業可控核聚變。這些都可以在核磁共振的礦業應用中一步步得以實現。

目前礦業MR 磁共振技術由澳大利亞的工業研究組織CSIRO 開發的，并且僅由NextOre 公司提供。該公司目前提供根據硫化銅礦物校準的帶式分揀系統，鐵礦石、黃金和其他一系列分揀系統也即將推出。MR 傳感器可以加裝到單班標準輸送機上，傳感器的安裝和使用也不復雜。MR 可穿透礦石數十厘米的厚度，因此該方法可用于大體積的巖石、泥漿或濃縮粉，且樣品無需任何前置處理。而且該類設備不需要進行表面清潔、嚴格的物料尺寸分布或預混合處理，即可獲得可靠的測量結果。此外，MR 測量數據相對準確，無需進行校準工作——MR 分析儀在出廠時已對相關礦物進行過校準，并且無論主體礦石或其他礦物的存在形式如何，都不需要重新校準。

作為一種新的顛覆性技術，磁共振（MR）分選可以直接檢測一定體積的礦石中是否有目標礦物的存在。MR 傳感器穿透能力強，可以測量滿載輸送帶上或堆積在卡車中的大體積物料，因此非常適用于塊狀礦石的分揀。MR 的測量時間非常短，這意味著可以測量體積較小的礦石，并且可以為塊狀礦石分揀提供更高的分辨率。

MR 是射頻（RF）光譜的一種形式，可用于定量檢測目標礦石中的礦物含量。在MR 技術中，每種礦物在特定的射頻下都有特定的共振或響應。這種共振具有很高的區分度，因為一種共振與其他礦物的共振重疊很少。因此，該方法需要調整頻率以針對一種或多種有價值的特定礦物開展檢測。射頻場脈沖通過非接觸式傳感器照射到礦石物料流上。磁場設置到特定礦物的共振頻率。隨后在傳感器中以回波的形式檢測到射頻響應。由于不同礦物共振相互區分，回波的強弱與所含目標礦物的數量成正比。

MR 的檢測速度和準確性優于其他批量檢測技術，從而在集約的分選設備中實現了最大可實現的分辨率，提升了礦石品位。MR 技術已在生產現場得到驗證，可在2 s 的測量間隔內產生高達±0.023%的銅傳感分辨率。但是，由于MR 傳感器測量的是特定礦物（而不是元素），因此該技術可能不適用于所有礦石，并且選礦廠必須確保處理的礦石合適進行檢測。不同礦石對使用MR 測量的敏感性也有所不同。前文已述及，MR 技術對鋰礦的探測效果良好，潛力巨大，且影響深遠。

5 鹵水提鋰技術革新將減少耗能和資源占用

目前，鹽湖提鋰的占地面積大，用水量也很大，鹵水提鋰技術研發正處于大規模大幅度革新的前夜。一旦納米埃米級離子過濾膜等技術實現大規模商業化的突破，鹽湖提鋰行業的耗能將大大減少，甚至走向完全綠色型礦山，對于土地、水資源的占用也將大幅度減少[19]。對于上游開發者和下游采購企業而言，隨著ESG 重要性日益提高，理解鋰鹽企業（尤其是水資源高風險地區的鋰鹽企業）的耗水量非常重要。然而，水和鹵水用量只是冰山一角，更重要的是要了解水（和鹵水）消耗將對當地生態圈和社區的影響。表1 的研究結果突顯了鹵水提鋰生產商所面臨的可持續性問題。

表1 不同來源鋰產品的溫室氣體排放、能耗和水耗比較[20]Table 1 Comparison of greenhouse gas emissions,energy consumption and water consumption of lithium products from different sources

迄今為止鹵水提鋰，也不限于鹽湖，還包括海水、地熱鹵水等，研究最多的方法是沉淀、離子交換吸附、膜分離（納米級過濾）、電化學方法和液-液萃取等。沉淀法僅適用于鋰離子濃度較高的鹵水（如Li+濃度在6,000 mg/L 左右的湖鹵水）。吸附法的穩定性和選擇性仍然較低，不足以實現工業化生產。膜分離技術，它適用于離子濃度非常低的溶液，例如從海水中提取鋰離子。從耗能角度來看，電膜工藝仍然是能源密集型。2021 年的鹵水提鋰新進展包括沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）在《英國皇家化學學會》期刊上發表了一項有關海水提鋰的研究，其結果表明小規模實驗的海水提鋰具備經濟可行性。采用鋰濃度0.2 mg/L 的紅海海水為原始原料，經過五步處理后最終生成了濃度9,000 mg/L（鋰濃度0.9%）的溶液。最后，研究人員從鹵水中直接析出了純度99.94%的磷酸鋰。該實驗產出的主產品和副產品的綜合價值超過了實驗能耗[21]。然而，實驗中采用的電泵膜直徑小于20 mm，厚度小于55 μm，這種膜易碎，而要實現量產就必須擴大電泵膜的面積，這對于商業化規模生產而言是一項必須克服的難題。新萃取方法也在快速發展，其中液-液萃取技術具有成本低、效率高、易于推廣、設備要求簡單和萃取劑可回收等優點。一般萃取機制依賴于離子交換，反應是通過與離子液體的陽離子對應物交換 Li+而發生，涉及萃取劑的損失。因而與有機溶劑相比，成本較貴且粘度高。但新萃取方法，鍵合機制以靜電相互作用為主，在納米尺度上形成空腔，當其尺寸和陽離子尺寸相似時，可以形成具有最佳穩定性的化合物，通常加入共萃取劑以提高萃取效率和Li+選擇性。鹵水提鋰技術目前仍然處于大規模革新的前夜。

6 當前問題與挑戰

當前最大的問題是技術壟斷。國際間的技術壟斷不利于全球共同減排。鋰礦開發新技術的國際壟斷同樣不利于新能源礦產自身的綠色礦山建設，這包括國際上的環保型鋰輝石濕法提取技術專利、鋰云母等非常規鋰礦新技術專利等。先進傳感器特別是核磁技術選礦等顛覆性、革命性創新更是意義深遠。如果西方發達國家壟斷這類先進開發技術，而大部分資源是分布于不發達的發展中國家，在制度上非常不利于新能源整個行業的自身減排和綠色生態系統建設。例如，碳排放大國印度也在躍躍欲試大范圍鋰礦開發，印度地質調查局以及印度原子能部（DAE）下屬的原子能礦產勘查與研究局（AMDER）在2016～2017年及2020～2021 年野外工作計劃開展期間分別在比哈爾邦、恰蒂斯加爾邦、喜馬偕爾邦、克什米爾地區、恰爾肯德邦、中央邦、梅加拉亞邦、卡納塔克邦和拉賈斯坦邦開展了14 個鋰礦等礦物的勘查項目。沿著Jodhpur 和Barmer 地區的Saraswati河的古河道進行了勘查工作，目的是圈定出與鹵水相關的鋰礦化體。原子能礦產勘探與研究局開展的地表和較淺深度勘查工作的初步調查結果顯示，卡納塔克邦Mandya 的Marlagalla-Allapatna 中發育的偉晶巖內賦存的推斷鋰礦資源量為1600噸。在印度礦產資源部的支持下，3 家中央國有企業（CSPE）聯合成立了一家名為Khanij Bidesh India 公司（KABIL）的合資企業，目的是收購海外礦產資源類資產。如果采用的是落后開發技術，也是不利于全面應對氣候變暖。

“清潔電力”是一個基礎性問題。雖然電力作為基礎設施之一是潔凈能源，但電力的來源是新能源汽車和鋰礦項目綠色評價的難點之一，有些發電方式例如煤炭發電在一些國家就是高污染行業。例如歐洲重要鋰礦資源地塞爾維亞，近幾十年來的煤電站對河流和空氣造成不同程度污染，而面臨諸多環境問題。2021 年9 月11 日的周六，數千名抗議者涌入貝爾格萊德要求停止開發世界著名的Jadar 鋰項目（目前該項目由力拓負責開發）。抗議者要求解決國家所面臨的污染問題，呼吁國家加強環境監管。力拓承諾投資24 億美元開發的Jadar 鋰項目，雖然主要生產碳酸鋰用以滿足新能源電動汽車市場的需求增長，但由于當地大規模環境主義抗議即將泡湯。可見，一些政治、社會和環境的因素，都可能造成鋰礦開發的停滯，但其根本原因在于產業自身的清潔度不夠，不是完全的綠色意義。

7 未來與展望

鋰礦無疑在當今和未來的新能源結構中占有重要地位，鑒于碳中和目標的緊迫性，世界各國主流機構都在加緊研究綠色減碳計劃和實現路徑。礦石鋰礦和鹵水包括但不限于鹽湖等多元化的鋰礦資源正在銳意推進綠色開發和利用。人工智能、先進傳感器以及一些顛覆性技術會越來越多地出現在鋰礦資源的開發利用中。顛覆性創新被視為產業全球競爭的重要突破口，顛覆性技術創新不僅僅是產業的革新，還可以引領全球經濟的浪潮。在全球經濟一體化的風潮下，顛覆性技術創新的作用凸顯，新興產業、新興生態鏈、新興模式等在進一步地刺激著市場經濟。然而，顛覆性技術創新的創新途徑是別樣的，不同于主流市場[22]。中國在顛覆性創新環節相對薄弱，究其原因是缺乏相應的技術人才培育和市場孕育機制。在創新技術特別是革新性、顛覆性技術的創新過程中，技術、市場、市場擴張等會隨著技術的逐步成熟而一步步地構建自 身的生態鏈。

縱觀全球鋰礦及其他新興產業，鋰行業供應鏈目前正處于戰略重塑和技術創新的巔峰。其行業小生境的發展進步也要更好的突破自身的限制，從而加速技術與市場之間的融合集成，最終完成顛覆性創新技術的逐步成長以及市場的對應擴張。當然，這其中供應鏈主要是從風險和安全角度考慮，而價值鏈則主要從價值創造的商業角度考慮，各有側重，互有補益。但在當今全球環境下，供應鏈是基礎，是第一位的。中國具有深遠的世界市場影響力，中國政府的碳中和目標具有世界標志性，中國企業在人工智能、先進傳感技術以及新技術革命中也已經嶄露頭角，在中國技術力量的積極參與和開拓下有希望打破先進技術的國際壟斷而令世界改觀，從而更廣泛地改善全球氣候問題和居住環境。