锂：金属家族里的“轻盈舞者”
■曹威威 周伟光 彭耀丽
2024年4月15日，一家企业在第135届广交会上展出锂电池产品。新华社发
今年的北京国际汽车展览会上，我国某新能源企业发布了全球首款兼顾“1000公里纯电续航”和“4C超充”特性的磷酸铁锂电池新品——神行PLUS电池。
据介绍，这款电池可为用户提供1000公里纯电超长续航体验，换句话说，如果用户驾车从北京开到南京，中途无需停车充电就可抵达目的地。凭借超长续航能力，神行PLUS电池用户可轻松应对日常通勤、城际出行和长途旅行的需求。
近年来，“锂”在人们生活中不知不觉已经成为高频词：不论是高速公路上疾驰的“绿牌”汽车、旅游景点上空穿梭的无人机，还是人们上网冲浪时使用的智能手机，都离不开锂在其中发挥作用。
作为一种金属元素，锂何以在新能源和新材料领域占据如此重要的地位？和其他元素相比，锂具有哪些优越性？未来的应用空间还有多大？请看本期解读。
“锂”的发现
锂的命名最早来源于希腊文“lithos”，意思是“石头”，意味着它最早是从矿物中发现的。
1800年，在一个名为乌托的瑞典小岛上，巴西化学家若泽·博尼法西奥·德·安德拉达·席尔瓦在采样时无意间发现了一种从未见过的矿石。
17年后，瑞典化学家贝采利乌斯的学生阿尔费特森在分析这种矿石时，在其中发现了锂元素的存在。不过，受限于当时的技术，阿尔费特森未能从矿石中将锂元素单独分离出来。
直到1821年，化学家布兰德使用电解法电解氧化锂时获得了微量的锂，锂才以单质的形式第一次出现在世人的眼前：银白色、看起来有点像我们熟悉的银，但质地比银更轻更柔软，用一把普通的小刀就可以轻松切割……
同时，锂也非常“活泼”。
如果把它放入水中，它会迅速与水发生反应，就像一个热情的舞伴，跳起舞来释放出氢气。
这种活泼的本性，使得锂在储存时需要特别的照顾。如果像普通的金属那样将它随意放置，它就可能会因为接触到空气而变得不稳定，甚至有可能燃烧或爆炸。为了安全起见，人们通常用固体石蜡或者稀有气体来包裹锂，就像是给它穿上一件保护服，防止它与外界环境发生危险反应。
然而，在当时的条件下，使用价格昂贵的电去制取当时还“一无所用”的锂，让很多人望而却步。
转变，发生在1855年。
那一年，通过电解氯化锂，德国化学家本生和英国化学家马提生提取出了大量的锂。自那以后，提取锂的技术逐渐成熟，一些公司如德国金属公司，开始对锂进行商业化生产。
到了第二次世界大战时期，军工机械被大量使用，各类机械轴承需要大量润滑剂。研究人员发现，锂基润滑脂比碱性润滑脂具有更高的熔点，比钙基润滑脂具有更好的防腐性能，因此锂在当时被大量生产，主要用于发动机或者机械轴承的高温润滑脂。
我国对锂的冶炼和应用起步较晚，最早对锂的应用也主要集中在简单的润滑脂、制作特殊陶瓷和玻璃时的添加剂等方面。直到20世纪末21世纪初，随着锂电池迎来真正的商业化应用，我国锂行业迎来了井喷式发展。经过近20年的发展后，我国锂行业成功走在了世界的前列。
目前，世界提锂技术从最开始的电解法，逐渐发展成“硬岩矿石提锂”和“卤水提锂”两大方法体系，其中对矿石的“硫酸焙烧法”最为成熟，这种方法的应用也最为广泛。
广泛应用于多个领域
从被发现至今，锂就是地球上最轻的金属。
有这样一个说法可以让我们感受它有多轻：将锂放在油或者一些其他液态碳氢化合物上，它轻盈得几乎可以漂浮在液体表面。
除了轻，锂的氧化还原电位较低，且能量密度相对较高，能够在较小体积和重量下储存更多的能量。
综合这些物理特性，美国化学家吉尔伯特·刘易斯意识到，锂可以很好地用作电池阳极。刘易斯开始探索其电化学性质并提出了锂电池相关理论，锂第一次和电池产生了联系。
随后，锂电池的发展历经了锂一次电池（锂原电池）和锂二次电池（锂可充电电池）等不同种类电池的多个研究阶段。直到20世纪60年代末，日本松下公司首次将“非水性3V锂离子原电池”商业化。
如今，凭借标准电极电势最低、电化学当量最大的特性，被誉为“未来的白色石油”的锂电池被广泛应用于各类便携式电子设备、新能源汽车及航空航天等领域，成为新能源、储能、航天、军工等领域研究与应用的“香饽饽”。
——航空航天领域。锂电池提供了比传统电池更高的能量密度，这意味着在相同体积或重量下，锂电池能够储存并提供更多的电能。此外，锂电池可以在包括低温环境在内的更宽的温度范围内工作，这对于航空应用至关重要。
今年4月25日，神舟十八号载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。此次任务中，大容量、长寿命、高可靠性的锂离子蓄电池接替此前执行了17次发射任务的大容量镉镍蓄电池，光荣上岗。
——通讯及出行领域。如今，在人们的日常通信中，锂离子电池扮演着至关重要的角色。市面上常见的国产手机，均采用了锂离子电池。相比于传统的镉镍电池，锂离子电池容量更大，寿命更长。此外，新能源汽车所使用的锂离子电池，充满电的时间越来越短，便利了人们的出行。
——新材料领域。除了在电化学领域的卓越表现外，锂的轻盈特性也让它在新材料领域崭露头角。1924年，德国首次研发出铝锂合金Scleron。相比于传统的合金金属，同等体积条件下，锂基合金重量更低。
在航天工业中，航天飞行器轻质化是科技人员永恒不变的追求目标。据悉，航天飞行器的质量每减少1千克，就可节省约2万美元的发射费用。将锂基合金用于航天飞行器制造，意味着可以大大节省经费。
——军事领域。作为动力源，锂离子电池近年来被广泛应用在单兵电子设备、潜艇、鱼雷、单兵口粮加热中，并展现出良好的使用性能，逐渐成为军事装备和补给的重要能源。目前，法国海军已成功研制出锂离子电池鱼雷，运行速度超过50节，续航时间超过1小时，可靠性和安全性均满足作战性能要求。
此外，现代战争中，无人机被大量投放战场，用于侦察作战和投放物资。作为其关键部件，锂离子电池被大量配套使用，可以说，当前战场如果没有了锂离子电池，包括单兵作战系统、潜艇、无人机和空天飞行器等在内的各类军工用电设备都将难以发挥作用。
与此同时，近年来，随着传统能源的快速消耗及其引起的环境问题日渐突出，能源的转型升级及技术革命成为全球关注的焦点。作为新能源的代表，锂离子电池的应用前景可谓非常光明。
全球低碳转型中的关键金属
如今，随着全球碳中和目标的推进和低碳转型技术的普及，作为新能源和新材料产业的关键原材料，人们对锂资源的需求不断提升。
2022年美国地质调查局报告显示，目前全球已查明的锂资源总量约为8900万吨。其中，世界锂资源储量排名前几位的国家依次是玻利维亚、阿根廷、美国、智利、澳大利亚和中国。
尽管锂元素在自然界中的丰富度较高，但具备经济开采价值的资源有限。如今，从锂的全球分布来看，澳大利亚、智利和阿根廷供应了全球近90%的锂原料，全球锂资源总体呈现寡头供应的格局。
与此同时，据国际能源署（IEA）预测，到2040年，仅在电动汽车领域，锂的需求量就将增长43倍，这无疑会加速推动锂资源产业的发展。
市场的巨大需求加上锂资源分布不均的现状，有学者预测，锂矿供不应求的态势或将进一步加剧各国对锂资源的争夺。
从锂电池的价格变化可以感受到全球争夺锂资源的激烈程度。据悉，在2021~2022年间，电池级碳酸锂价格一度大幅上涨，但随后急速下跌，这样不稳定的价格变化给锂电池企业带来了较大压力，很多锂行业相关的公司难以顶住压力纷纷倒闭。
新能源汽车供应需求增加，还带来了未来动力电池退役量的增长，关于锂电池退役后的回收将是一个很大的难题。如果不能实现有效回收，这不仅会造成锂资源的浪费，还会造成严重的环境污染。
基于以上几种未来锂行业将要面对的难题，我们可以看到，虽然锂在全球能源低碳转型中具有光明的前景，但未来要想实现可持续应用，还是需要直面许多挑战。
面对挑战，不断探索改进生产工艺、革新相关产品，是带动锂行业不断前进和突破的根本途径。同时，充分将锂资源和高端材料相结合，将锂资源和高新科技领域相结合，发挥锂的更大功用，是锂资源相关企业和科研工作者接下来要考虑的问题。
近日，我国科研人员同荷兰的代尔夫特理工大学研究团队在国际权威期刊《自然》上发表了锂离子电池领域的最新研究成果，提出将化学短程无序（CSRD）引入到氧化物正极中，从而提升锂电池的循环寿命和快充性能。
除了在低碳转型中发挥重要作用，科研人员还发现，锂在医疗领域也有其独特的贡献——作为治疗躁郁症的药物成分之一。
躁郁症是一种忧郁症和狂躁症结合的病症，在医学上被称为“双向情感障碍”。神奇的是，锂能够抚慰大脑中产生的躁郁现象。
美国加州大学旧金山分校某研究团队在《分子精神病学》上的一篇报告称，锂能影响大脑的树突棘或突触。他们通过锂盐给那些和患者具有相似症状的小鼠进行“锂疗”，结果发现，锂能恢复健康小鼠树突棘的数量，缓解对社交缺乏兴趣的小鼠的症状。
站在新技术革命的风口上，小到一部手机的电池、大到航天器的关键部件，锂在储能、航天、民生等多个关键领域扮演着重要的角色，在新能源发展、资源节约和环境保护方面发挥着不可或缺的作用。可以预见的是，在未来几十年内，锂仍然具备巨大的潜能，将继续推动人类社会发展的车轮滚滚向前，驶向更加美好的未来。
