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重要礦產資源調查計劃——鋰的用途:從潤滑劑到能源金屬

編著:天津地質調查中心 李效廣 李志丹    

200年來,人類對鋰的應用一直在孜孜探索。鋰被發現后的一段相當長時間里,并未有重大突破,僅僅在玻璃陶瓷業、冶金工業、制藥業等行業,使用了為數不多的鋰化合物。

核聚變武器是鋰歷史上第一次令人震撼的重大應用,但人類應該為此感到遺憾而蒙羞。今天,人類正大規模和平應用鋰礦,對鋰資源需求正處在爆發式增長時期。


鋰的世界年產量圖示(單位:1000噸/年)

筆記本電腦、掌上電腦、手機和電動汽車所以能廣泛普及或正方興未艾,鋰離子電池功不可沒,而鋰是第一功臣。有人甚至認為,內燃機的發明使石油成為全球最大宗商品,電動汽車有一天也會使鋰元素做同樣的事情,鋰成為“固體汽油”全面替代汽油,驅動汽車。事實上,美國麻省理工學院有研究人員認為,如果電池技術的提高與一些政府的估計是一致的話,到2020年,98%的私人汽車將可以用電動汽車取代。

一、研發應用  上下求索


其早先的主要工業用途是以硬脂酸鋰的形式用作潤滑劑的增稠劑,其兼具高抗水性,耐高溫和良好的低溫性能;

鋰玻璃的溶解性極低,如果使用的普通玻璃杯泡熱茶,那么每一杯茶中會溶解約萬分之一克玻璃,但在玻璃制造中加入鋰,鋰玻璃的溶解性降為普通玻璃的1/100,鋰玻璃基本做到了永不溶解,還可以抗酸腐蝕;

冶金工業上,利用鋰能強烈地和氧、氮、氯、硫等物質反應的性質,充當脫氧劑和脫硫劑,銅冶煉過程中,加入十萬分之一到萬分之一的鋰,能改善銅的內部結構,使之變得更加致密,提高銅的導電性;

在優質特殊合金鋼材中,鋰是清除雜質最理想的材料;

軟的純鋁中加入少量的鋰、鎂、鈹等金屬熔成合金,既輕便,又特別堅硬,用這種合金來制造飛機,能使飛機減輕2/3的重量。



采用鎂鋰合金作外殼的筆記本電腦

 

二、鋰是重要的氫氣源

2公斤氫化鋰分解后,可以放出氫氣566千升,如果飛機失事墜落在水面時,只要一碰到水,氫化鋰就立即與水發生反應,釋放出大量的氫氣,使救生設備(救生艇、救生衣、訊號氣球等)充氣膨脹,是名不虛傳的“制造氫氣的工廠”,第二次世界大戰期間,美國飛行員備有輕便氫化鋰丸作應急之用。

海上救生閥(鋰化氫釋放氫氣)


鋰對中樞神經活動有調節作用,能鎮靜、安神,控制神經紊亂,鋰在醫學上有廣泛的制藥用途。

三、作為能源金屬的鋰:熱能、核能與儲能


相比之下,鋰最廣泛而重要的用途,當屬鋰能的應用。而鋰能的應用包括三個方面,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。1千克鋰燃燒后可釋放42998千焦的熱量。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,發動機利用一公斤鋰燃料可以持續290秒或以上一直產生一公斤的推力。

真正使鋰成為首次舉世矚目的金屬,是其優異的核性能被發現后,用作核聚變武器的生產,時為1950-1960年代的冷戰時期,這是人類首次對鋰的顯著需求期,遺憾的是,其用途是恐嚇與戰爭。


氫彈爆炸試驗(引自網絡)

質量小的原子氘或氚,在超高溫和高壓等條件下,原子核互相聚合,生成新的質量更重的原子核,并伴隨著巨大的能量釋放,這種核反應形式就是核聚變

自然界中氚極少,每克的價格在幾萬美元左右,可見其稀缺性。鋰6可以生產出氚,是氚的唯一工業原料。鋰6吸收一個熱中子后,變成氚并放出能量。高濃縮度的鋰6成為生產氫彈、中子彈、質子彈的重要原料,鋰工業得到了迅速發展。鑒于它在原子能工業上的獨特性能,人們開始稱鋰為“高能金屬”。


核聚變圖示

現在,令人欣慰的是,全球科學家正在合作研究和平利用受控核聚變發電2050年前后,預計受控核聚變發電將廣泛造福人類。1kg鋰通過熱核反應放出的能量相當于20000多噸優質煤的燃燒,核聚變能可謂取之不盡用之不竭。更令人鼓舞的是,1990年代起,鋰離子電池的發明和應用,開始廣泛應用于人類的進步與和平,鋰第二次受到全球矚目,并得以在能源行業成功崛起。


鋰離子電池充放電原理示意圖

 

四、鋰離子電池應用于汽車


從前,汽車都是由燃油驅動。現在,純電動汽車正走在替代燃油汽車的路途上。純電動汽車,相對燃油汽車而言,主要差別(異)在于四大部件,驅動電機,調速控制器、動力電池、車載充電器。它不加燃油,而是由車載動力電池供電。現階段和未來一段時間,主要是鋰離子電池作電源。1997年12月,豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產的混合動力轎車PRIUS。


中國新能源汽車產量及增速  

中國新能源汽車銷量及增速


 

較高的安全性、可充電性、高容量性,并且體積較小,鋰離子電池這些優越的性能加上鹽湖鋰獲取的低成本,越發激發了企業家和科學家得以投入更多的精力與熱情研發相關產品。從電腦、手機等信息終端的微型化,到汽車的電動化,再到將來儲能設備家庭化、核聚變能鋰能,將把我們人類世界照耀的越來越長久而光明,將把我們載入綠色環保的電動之車并駛向更美好的彼岸。


未來鋰儲能之應用(據有關資料綜合翻譯制作)

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