小金屬的大“鋰”想
——鋰的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展故事

◆本刊綜合

圖/圖蟲創(chuàng)意

從智能手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品，到電動車、風能和太陽能等大型儲能裝置，鋰電池成為我們生活中不可或缺的“能量源”。作為動力電池的核心原材料，“鋰”有著“白色石油”的美譽，在日常生活中扮演著越來越重要的角色。

以藥品“出道”

從石器時代、鐵器時代到蒸汽時代、電氣時代，人類在聚集和融合中進行信息的積累與交互，人類文明的發(fā)展史和進步史，也是人類對礦物的發(fā)現(xiàn)和深入應用的表現(xiàn)。

1800 年，巴西礦物學家何塞·安德拉達在瑞典旅行時第一次發(fā)現(xiàn)了鋰礦石——透鋰長石。這種礦物在火上燒制時，火焰呈現(xiàn)強烈的深紅色，十分特別。1817年，瑞典化學家約翰·奧古斯特·阿夫維森在這種礦石中檢測到一種與鉀、鈉性質(zhì)類似的金屬元素，后來，這種元素被命名為鋰。

圖1 鋰輝石樣品（圖/中國科學報秦克章 供）

鋰是標準條件下密度最小的金屬，由于其化學性質(zhì)過于活潑，一般都以化合物的形式存在。1821 年，科學家成功提純出鋰單質(zhì)，其質(zhì)地柔軟，一般被封在固體石蠟、凡士林中，或者封于惰性氣體中保存。19 世紀50 年代，人們發(fā)現(xiàn)鋰能幫助人體溶解從腎臟中分離出來的尿酸晶體，開始將其作為藥物使用。20 世紀中期，鋰被推廣用來輔助治療躁狂癥。隨著鋰單質(zhì)提取工藝的進一步精進，這種以藥品“出道”的物質(zhì)逐漸在冶金工業(yè)上嶄露頭角。

“工業(yè)味精”用途廣

鋰的超強電化學活性在原子能工業(yè)中起到重要作用，通過熱核反應1 千克鋰釋放的能量相當于燃燒2 萬噸優(yōu)質(zhì)煤釋放的能量。

鋰在軍事和核工業(yè)上的應用，催生了第一次大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，使其成為一種極為重要的戰(zhàn)略物資。

在玻璃及陶瓷行業(yè)，鋰作為助熔劑能有效降低二氧化硅的熔點，并提升玻璃及陶瓷釉面的耐熱、耐磨性能；在冶煉工業(yè)中，鋰不僅可以用作助熔劑，還能用作吸附劑和脫硫劑；在航空航天領域，添加了鋰的鋁合金材質(zhì)更輕、更硬……鋰及其化合物憑借“輕”“軟”和“高能量”的特點在眾多領域有著廣泛應用，被譽為“工業(yè)味精”。

無“鋰”寸步難行

20 世紀70 年代末期，鋰電池問世，最初的鋰電池并不能充電后循環(huán)使用。后來，科學家研制出可充電的鋰金屬電池，它的循環(huán)壽命可達1000 次以上且循環(huán)衰減較小。鋰離子充當電能的“搬運工”，周而復始地從正極至負極再至正極來回移動，在正、負極活性材料中進行脫嵌，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了能量的存儲與釋放。

2019 年，諾貝爾化學獎授予美國科學家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學家吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池研發(fā)領域作出的貢獻。他們“改變”了鋰電池，而鋰電池正改變著世界。

圖2 鋰電池是為新能源汽車提供動力的 心臟”（圖/新華社 李博 攝）

近年來，伴隨著電動汽車的興起，以及可再生能源發(fā)電對大規(guī)模儲能裝置的迫切需求，開發(fā)安全、大容量、大功率和長壽命的鋰離子電池將成為今后研究的重點。未來，我們或?qū)⑸钤谝粋€無“鋰”寸步難行的世界。