最轻的金属元素——锂

距离现在138亿年前，宇宙在一次“大爆炸”中诞生了，与其几乎同时诞生的，还有锂 (Li)这个金属元素[1]。说起金属给人的刻板印象应该是比较“重”的，但是这种金属不仅在元素周期中它属最轻，甚至放之宇宙也是最轻，它就是元素周期表中的第一种金属元素——锂（lithium），原子序数3，原子量6.941，元素名来源于希腊文，原意是“岩石”，但是它比岩石可轻太多了，密度只有0.534克每立方厘米，比煤油还要轻，更不用和“岩石”比了，它是最轻的金属。

图1.煤油中的锂（图源自网络）

01

金属锂的发现

锂元素是由伟大化学家贝采里乌斯（Jons Jakob Berzelius）的得意门生——瑞典科学家阿尔费特逊（Arfvedson J.A.）于1817年发现。有一天，阿尔费特逊的一位朋友给他捎来了一块石头，阿尔费特逊被这块看似普通但又充满魔力的石头吸引住了，于是他将其研碎并进行了分析，经过分析发现这块石头中除了含有80%的氧化硅、17%的矾土外，剩下3%不知名的成分，几经分析最终发现这是一种碱金属，并肯定这是一种新的元素，他的老师贝采里乌斯将其命名为“锂”，因为是从岩石中发现的，所以明明是金属却拥有意为岩石的名字[2]。

锂元素就这样被发现了，但是要制取纯的金属锂并不容易，阿尔费特逊想要通过铁和炭还原锂的氧化物来制得纯的锂，未能成功，后面想到用电力去分解锂盐，但是因为电力不足而告终。直到1885年，德国化学家本生（R.W.Robert Wilhelm Bunsen）通过电解熔融的氯化锂制得了游离态的锂。

图2.贝采利乌斯（左）阿尔费特逊（右）（图源自网络）

02

金属锂在能源领域的应用

意大利科学家伏打(Volta) 在二百年前打开了电池领域的大门，发明了世界上第一块真正意义上的现代电池——伏打电池之后，紧接着在1895年，法国科学家普兰特(Plante)发明出用铅做电极的电池，当这种电池使用一段时间后电压下降时，给它通反向电流，就可使电压回升，简单一点说就是能充电，可反复使用，所以被称为“蓄电池”，这是世界上第一块可充电的电池。

进入20世纪中期，碱性锌锰干电池、燃料电池相继被成功开发，直到20世纪70年代锂电池才研制成功，虽然中间出了点小插曲，锂二次电池因为安全性问题等原因，未能推广发展，甚至处于停顿状态，但是这并不影响它后来成为电池领域的王者，1991年，发生了电池产业史上的又一次巨大革命，日本索尼公司推出了第一块商业锂电池 [3]。锂电池的研发成功，让电池领域进入了新的时代，距今电池已经诞生两百多年了，电池的发展仍在继续。那它到底是凭什么一跃成为电池领域的王者的呢，我们接着往下看。

图3.意大利科学家伏打（图源自网络）

在元素周期表一众金属元素中，锂的原子量最小(6.94)，密度也是最小 (0.53 g/cm3 ，20 ℃)、化学性质活泼，极易失去电子被氧化为Li+，因此电极电位最负(－3.045 V)，电化学当量最小(0.26 g/Ah)，这些特点决定了它具有极高的比能量，因此和铅酸蓄电池相比，锂电池在质量和体积比能量方面均要高出三倍以上。

另外，[3]锂电池具有很长的循环寿命，例如一般铅酸蓄电池循环次数在400-600次左右，而磷酸铁锂电池的循环次数在2000次以上，这个对比就显而易见了；锂电池更有快速充电功能，充电效率在85%以上，看来那句“充电5分钟通话两小时”的广告词不是瞎说，相信随着科学技术的发展，锂电池的这一功能会有新的超越，在更多领域实现更高的应用价值；锂电池的放电倍率要高于铅酸蓄电池，关于放电倍率是怎么一回事呢，实际上就是电池释放能量的速度，反之充电倍率就是电池储存能量的速度，普通锂电池可实现2C-3C放电，一些具有高倍率放电能力的锂电池甚至可以实现20C-30C放电。这里的C是表示锂电池放电倍率的符号，比如1C表示锂电池可以按1倍的放电速率来放电，而高能锂电池可实现20-30倍，可见之优越性。锂电池的成功开发使得电子产品轻便化成为现实，甚至在成功开发后的几十年里改变了世界，比如我们能用上轻薄便捷的笔记本电脑就离不开锂，一部手机能集如此多的功能于一体，这在20年前简直是无法想象的，是锂离子电池让这一切成为可能。为减少碳的排放量，全球汽车行业大幅拓展电动汽车的计划已经是板上钉钉的事了，而电动汽车的动力源离不开锂离子电池，

王者终究是王者，锂电池即使是走到职业生涯的最后也要用尽全力发挥余热，退休的锂电池中含有Li、Ni、Co、Mn等金属，具有很高的回收价值，通过回收再利用不仅可以缓解能源金属资源的短缺，还可以产生不少的经济效益，另外，也因其中含有重金属、有机物等，如果随意丢弃，会对生态环境造成极大的危害[4]。21世纪以来，能源危机和环境污染日益严重，发展新型能源是解决世界能源短缺，缓解煤炭和化石燃料等传统能源造成的环境污染和全球变暖问题的有效途径，因此新型储能装置的开发受到了广泛关注，在各种储能技术中，电化学储能（即二次电池）尤为明显。随着锂电池的广泛应用，锂已经成为一种新型且具有战略意义的储能金属[5]。

图4.手机中的锂电池（左）电动汽车锂电池（右）（图源自网络）

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金属锂在核聚变领域的应用

锂在核聚变反应堆中扮演着不可或缺的角色，核聚变中的氘（重氢）在天然海水中含量丰富(每升海水含0.03克氘，地球海洋中有45万亿吨氘)，提取也比较容易，而氚（超重氢）在自然界几乎不存在，但是这两者都是核聚变反应的主要原料，当两者发生聚变反应时可以释放出巨大的能量，同时不产生辐射性废物，因此，金属Li在可控核聚变领域也发挥着重要的作用，是不可被替代的，还被称为21世纪的“白色石油”、“高能金属[6]。1967年6月17日我国的成功试爆了第一颗氢弹，其中就采用了氘化锂。

图5.我国第一颗氢弹试爆图（图源自网络）

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金属锂在其他领域的应用

锂除了以上的功能，还在众多领域发挥着我们无法忽视的作用，比如锂的化合物过氧化锂可以做潜水艇甚至太空飞船里氧气的发生器；在玻璃配料中加入锂化物能降低玻璃熔化时的温度，降低玻璃的热膨胀系数，改善玻璃的密度和光洁度；陶瓷中加入少量锂辉石可增强陶瓷的耐热、耐酸碱性；还可作润滑脂，锂基润滑脂因其良好的稳定性被广泛用于飞机、坦克、火车、无线电等设备；冶金领域，镁锂合金是一种新兴的超轻材料，具有比强度和比刚度高、弹性模量高、塑性和冲击韧性好等优点，是航天航空、兵器工业、核工业、汽车和医疗器械等领域理想的结构材料之一[7]。总之，锂以各种形式默默存在于我们生活中的各个角落，发挥着自己的作用。

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结语

锂作为发展国民经济和推动科技进步的关键元素，甚至是国家战略元素，锂资源的储备关乎国家战略安全。全球锂资源储量的总量呈上升趋势，到2021年全球已探明的锂资源量达到8900万金属吨，随着能源需求的增加和开采技术的提高，数据肯定会再次被刷新。全球锂资源储量主要集中在南美锂三角（玻利维亚、智利、阿根廷），我国的锂矿主要分布于四川的容须卡、甲基卡，西藏羌塘、青海可可西里等地区，资源量较为丰富，位列第六。但是我国锂产业起步较晚, 锂资源综合利用的科技水平和世界发达国家尚存在一定差距[8]。在国家政策的大力加持下，新能源汽车行业迅速发展，以及其他电子行业对高容量电池的需求不断加大，锂资源的消耗只增不减，攻克技术难关，提高对矿石锂和盐湖锂资源的利用率刻不容缓。