鋰的十八般武藝

編譯 邵峰

精神藥物、核武器、動力電池……3號元素鋰為何如此多才多藝？為什么它是一種戰略性礦產資源？

巨型鋰礦帶就在青海省！

金屬鋰是第三號元素，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，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 萬噸，其中56%位于智利、阿根廷和玻利維亞三國交界地帶的高山鹽湖和鹽沼，形式為鹽湖鹵水鋰。這三國因為掌控著龐大的鋰資源，也被稱為“南美鋰三角”。我國鋰資源約占全球鋰儲量的6%（不包括新探明鋰儲量），且主要為鹽湖鹵水鋰。據青海省地質調查院2021 年12 月公布的信息，我國地質科研工作者在青海省巴顏喀拉地區發現了一條巨型鋰礦帶，并且是一條鋰、鈹等稀有元素的超常富集帶。這次大型鋰礦的發現，大大擴充了我國的已探明鋰儲量，為國家今后的發展增加了不少底氣。

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，普通人很少見過它的金屬形態。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。煤油是實驗室保存金屬單質的常見液體。完全浸入煤油的金屬不會再與氧氣接觸，也就能避免被氧化。不過，金屬鋰的密度比煤油還小，無法完全浸入煤油，因此，一般采用固體石蠟將鋰和外界空氣隔絕。

1817 年，25 歲的瑞典人阿爾費德森在實驗室中分析一塊礦石標本。分析結果顯示，這款礦石含有97%的硅化物，但無論他如何測定，剩下的3%的成分依然成謎。最終，他確認這3%是一種新元素。他將這個發現告訴了他的導師，后者將這一新元素命名為“lithium”（鋰），在希臘語中，“lithos”（lithium 一詞的詞根）的意思是石頭。其實，阿爾費德森發現的并非是純鋰，而是鋰的化合物。直到1821 年，化學家布蘭德借助電解法，才第一次獲得了純凈的鋰金屬。鋰的化學性質比較活潑，單質鋰能與水緩慢發生反應，在所有堿金屬中，鋰和水的反應過程是最溫和的。

鋰不僅在電池領域發揮著舉足輕重的作用，被譽為有望替代石油的“白色石油”，更在醫療、工業、核能等領域發光發熱，真可謂“有鋰走遍天下，無鋰寸步難行”。我國將鋰劃入24 種戰略性礦產資源之一，其重要性可見一斑。

鋰鹽：大自然贈與精神科的禮物

1929 年，一位名叫格里格的美國商人向市場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，并很快在幾年內一躍成為美國飲料市場的龍頭產品。

為什么商家要在飲料里添加鋰呢？這是因為當時的人們發現，在一些市政供水中含有天然鋰元素的地區，抑郁癥發病率和自殺率都低于其他地區。鋰具有改善情緒的特質，促使格里格將檸檬酸鋰作為他開創的新飲料的賣點。然而，短短幾年后，這款飲料就因為安全問題被當局禁止銷售，原因是無節制地攝入鋰鹽會引發腎臟出現問題。

雖然鋰飲料從此銷聲匿跡，但在后來的日子里，科學家逐漸發現了鋰在治療精神疾病方面的突出作用。1944 年，澳大利亞醫生凱德注意到，含鋰井水似乎有助于治療某些精神疾病。實驗證實了他的猜測：僅僅一針碳酸鋰注射液，就能讓躁狂癥豚鼠安靜下來，沉沉睡去。1949 年，凱德公開了他關于鋰鹽能治療躁狂癥的發現。20世紀60 年代，鋰鹽的應用又改變了抑郁癥的治療方式。進一步研究表明，鋰鹽似乎會影響大腦某些神經遞質（如去甲腎上腺素、多巴胺和血清素）的活動。作為人類首次發現的情緒穩定劑，鋰鹽在治療躁狂、抑郁和雙相障礙（時而躁狂、時而抑郁）方面具有顯著效果，并能明顯消解某些患者強烈的自殺情緒。直到今日，鋰鹽依然是治療精神疾病的一線藥物之一，被譽為大自然贈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

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。人類引爆過的威力最大的純裂變式核武器是美國引爆的“常青藤之王”（50 萬噸TNT 當量），其爆炸威力是美國投放在日本廣島的原子彈的25 倍。不過，“常青藤之王”的爆炸威力還是無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”），其TNT 當量為5000 萬噸，爆炸時產生的火光在1000 千米外都清晰可見，氫彈蘑菇云升騰到64 千米的高空，爆炸產生的能量甚至讓歐亞大陸發生了輕微位移。

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，使用起來十分麻煩。1953 年美國的第一次氫彈原理實驗，就采用了大量冷卻設備來使氘和氚保持液態。然而，這個氫彈的質量達到了無比夸張的65 噸，即便它有1040 萬噸TNT當量的爆炸威力，這么大質量的氫彈也根本無法用轟炸機投送。鑒于此，氫彈中的裝藥一般為固態的氘化鋰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，能釋放4 萬~5 萬噸TNT 當量的爆炸威力。鋰6 對氫彈的重要意義使其成為一種被各國嚴格管控的戰略金屬。

諾獎被授予鋰離子電池的三位貢獻者

能量密度高且輕便的鋰離子電池的問世之路充滿了艱辛和坎坷。20 世紀70 年代石油危機期間，石油短缺迫使人們開始尋求新能源。美國石油巨頭埃克森美孚公司的化學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間短的優點。在一次試驗中，他使用二硫化鈦作為電池正極，金屬鋰作為負極，制作出首個鋰電池，但這種方案導致電池短路并起火，埃克森美孚公司于是決定停止該方案的后續試驗。

20 世紀80 年代，美國固體物理學家古迪納夫嘗試使用鈷酸鋰代替二硫化鈦作為電池的正極，結果這種新型鋰離子電池的能量密度大大超出所有人的預期，幾乎是同時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題。

幾年后，日本科學家吉野彰用石油焦替代古迪納夫方案中的負極材料金屬鋰，從而解決了易燃問題，這個突破宣告首個能夠穩定工作的鋰離子電池的誕生。2019 年的諾貝爾化學獎被共同授予惠廷厄姆、古迪納夫和吉野彰，以表彰他們為鋰離子電池發展做出的杰出貢獻。

鋰離子電池是如何工作的？

電池有正極和負極。通常情況下，負極材料為碳，正極材料為金屬氧化物（如氧化鈷）。正負極間充斥著電解液（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，帶正電的鋰離子穿過隔膜，向正極移動，這造成正極的正電荷增多。受正電荷吸引，帶負電荷的電子也向正極運動，由此形成電流。然而，電子因無法穿過隔膜，只能選擇走外電路，穿過用電器做功后再回到正極，這就是鋰離子電池驅動電器工作的過程。

鋰離子電池放電時，鋰離子從負極移動到正極，導致正極對電子的吸引力變強，電子從負極經用電器流向正極。

改變世界的鋰離子電池

如今，鋰離子電池的廣泛應用在很大程度上改變、甚至顛覆了我們過去的生活方式。早期的民用手機“大哥大”的電池重量占機身重量的1/2。“大哥大”采用的是鎳鎘電池，容量一般為500 毫安。而今天，手機采用的鋰離子電池的容量一般都達到4000 毫安，重量卻更輕。鋰離子電池不但為移動設備減了重，延長了使用時間，使用起來還更方便。在老一輩的印象中，鎳鎘充電電池使用起來需要尤其注意一點：如果某次充放電不完全，就會對電池容量產生永久性影響，這被稱作“記憶效應”。而鋰離子電池就不存在“記憶效應”這個缺點。

“大哥大”笨重，很大程度是因為鎳鎘電池太重

以鋰離子電池為能源的考察車不懼低溫

1996 年，日本研發出了全球首臺鋰離子電池電動汽車，日本國立極地研究所北極觀測中心將其作為支援車，在嚴寒的北極使用了 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。進入21 世紀，電動汽車產業迅猛發展，鋰離子電池因其較高的能量密度和高達2000 次以上的充放電循環（長期使用不會產生明顯的容量衰減），從而被作為電動汽車動力電池的首選方案。

我國在電動汽車領域持續深耕，并取得了一系列喜人的成就。過去十多年間，中國已快速成長為全球最大的電動汽車市場，電動轎車累計銷量占世界總量的一半，電動公交車和卡車累計銷量占世界總量的90%以上。在中國每座城市的街頭，懸掛綠色新能源牌照的電動汽車越來越多，城市空氣質量也有所改善。中國對鋰資源的需求量也保持著每年遞增30%的旺盛勢頭。平均而言，每生產一塊家用轎車的動力電池需要9 千克鋰。在如今這個電動汽車逐漸替代燃油汽車的新時代，掌握鋰礦資源就等于掌控了動力電池的生產原材料。

鋰的重要性不僅體現在今天作為新能源電動汽車動力電池的重要原料，還體現在它未來在核聚變領域將發揮的關鍵作用。全世界多個國家都在不斷研究可控核聚變，在可預見的未來，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 克鋰核聚變發電釋放的能量相當于3.7 噸標準煤完全燃燒所釋放的能量。鋰反應堆只需要10 噸金屬鋰就能產生100 億千瓦時的電能。如果這項技術投入使用，無疑將打破人類目前在能源方面處處受限的局面，并有望緩解或逆轉因排放過量溫室氣體而導致的氣候變化。在鋰的十八般武藝中，作為可控核聚變原料是鋰被寄予最多希望的一種用途。

電動汽車的鋰離子動力電池

恒星普遍缺鋰，但也不是完全如此

氫、氦和鋰是宇宙中出現的第一批元素。太陽和八大行星幾乎是在同一時期從星際云中誕生的，但太陽的鋰豐度僅為地球的1/100，這是為何？太陽的能量來自自身物質聚變反應。一些科學家認為，太陽中的鋰元素會隨著參與聚變反應、合成更重的元素而逐漸減少，也就導致了太陽缺鋰。

雖然恒星缺鋰被認為是普遍現象，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域、距離地球4500 光年的古老恒星引起了天文學家的注意。這顆古老恒星的質量不到太陽質量的1.5 倍，但鋰含量卻達到太陽鋰含量的3000 倍！富鋰恒星的出現，刷新了科學家對恒星鋰元素豐度的認知。