作者：徐鵬暉（中國科學院國家空間科學中心）
來源：《知識就是力量》雜誌
日前，據中國科學院地質與地球物理研究所，該研究所青藏高原科學考察研究團隊在喜馬拉雅瓊嘉崗地區發現了超大型鋰礦。該鋰礦被認為“有望成為繼南疆白龍山、川西甲基卡之後的我國第三大鋰礦”。科研團隊負責人秦克章表示，礦體中氧化鋰資源可達101.25萬噸。鋰礦被稱為“白色石油”，目前我國鋰資源75%依靠進口。
白色為主、略帶淡綠的鋰輝石樣品 秦克章供圖 （圖源：中國科學報）
一提到鋰，其實我們首先想到的就是隨處可見的鋰離子電池。儘管鋰元素是電池領域的“王者”，卻又為什麼頻頻與危險相連？鋰元素除了製造電池在我們生活中還有其他哪些用途？這篇文章將帶你揭曉答案。
鋰的前世今生
浮於油上的金屬鋰
鋰的發現距今已有200多年。1800年，一位巴西人在瑞典的一個小島上發現了透鋰長石。1817年，瑞典化學家阿爾費特遜在對透鋰長石進行研究時發現，矽氧化物和鋁氧化物只能佔到96%的重量，礦石中必然含有一種未被發現的鹼金屬元素。他的老師貝採利烏斯將這種新元素命名為lithium——鋰，該詞來源於希臘語的lithos（意為石頭），表示它是從石頭裡發現的。但遺憾的是，阿爾費特遜未能分離出鋰的單質。直到1821年，英國化學家布蘭德使用電解法透過電解氧化鋰獲得了微量的鋰單質。而大量的鋰單質則要等到1855年，德國化學家本生和英國化學家馬奇森電解氯化鋰時才首次得到。
不安分的鋰單質
電子顯微鏡下的鋰枝晶
鋰單質是一種銀白色的金屬，和鈉一樣，它的質地很軟，可以用刀切開。但不同於鈉的是，它的密度很小，只有0.534克/立方厘米。這使得它不可能像鈉一樣放在煤油或液體石蠟之類的液體油類裡儲存，因為鋰單質會漂浮起來，因此它們被封在固體石蠟或凡士林中儲存，或者封於惰性氣體中。
此外，鋰單質的化學性質也非常活潑。它在空氣中就能和氮氣、氧氣反應，形成氮化物和氧化物層把自己包裹起來。除此以外，它還可以與水、乙醇、氨氣等常見物質發生較為劇烈的反應。
鋰金屬電池的曇花一現
鋰單質密度小，反應放出的能量高，自然是用來做電池的好材料。20世紀70年代末，鋰電池問世。最早的鋰電池採用金屬鋰作為負極材料，二氧化錳作為正極材料，非水電解液作為鋰離子傳導介質。工作時，金屬鋰失去電子變為鋰離子進入電解液，而後在正極得到電子與二氧化錳生成亞錳酸鋰。由於金屬鋰密度小，在電池容量相同的情況下所需的材料質量就少，電池就可以做得更輕、更小。但這種電池是一次性的，不能充電再次使用。
鋰金屬電池結構示意圖
後來，科學家很快開發出了可充電的鋰金屬電池。它仍然以金屬鋰為負極，但以二硫化鈦為正極。實驗室研究表明它的迴圈壽命可達1000次以上且迴圈衰減很小，也就是說它不會充幾次電之後就充不進去了。這對當時方興未艾的電子產品產業來說是個巨大的好訊息，意味著電子產品從此可以擁有小巧便攜、高能量儲量、可迴圈使用的移動電源。
不過，隨著使用頻率的增加，鋰金屬電池的問題就暴露出來。在經歷了數起鋰金屬電池起火爆炸事件後，人們發現這種電池有著嚴重的安全隱患。
“足夠好”的鋰離子電池
2019年諾貝爾化學獎得主約翰·古迪納夫
鋰金屬電池有著非常明顯的缺陷，顯然它還不夠好。到這裡，我們得介紹一位非常重要的人物——被譽為“鋰離子電池之父”的約翰·古迪納夫。正是他的不懈努力，造就了今天“足夠好”的鋰離子電池。
鋰離子電池的充放電工作過程
古迪納夫在1980年，也就是他58歲時發現了鈷酸鋰這個可用於鋰離子電池正極的材料。而後索尼公司於1991年利用這項技術成功製造出了世界上第一個商用鋰離子電池。這顆鋰離子電池採用鋰插層石墨為負極材料，鈷酸鋰為正極材料。電池中的鋰全部以離子形式存在，嵌在電極材料內部，沒有遊離態的鋰，鋰離子電池由此得名。放電時鋰離子從負極脫嵌，轉移到正極嵌入；充電時則相反，在不斷地充放電迴圈中，鋰離子不停地往返於正負極之間進行嵌入和脫嵌，就像搖椅一樣來回擺動，故這類電池有個外號叫“搖椅電池”。
安裝在電動汽車上的鋰電池
但鈷酸鋰也並不完美，鈷酸鋰在鋰離子脫嵌比例過高的情況下晶體結構會發生塌陷，因此導致鋰離子電池必須嚴格控制充電，否則迴圈壽命會受到影響。當人們正在苦惱於這個問題時，古迪納夫又發現了新的正極材料——磷酸鐵鋰，它的穩定性更好，成本更低。如今由它製成的鋰離子電池已經用於電動汽車供電。
鈷酸鋰的晶體結構
磷酸鐵鋰的晶體結構
時至今日，大大小小、形態各異的鋰離子電池已經在我們的生活中隨處可見。無論是在電子產品還是電動汽車中，都能發現鋰離子電池的身影。然而它們的基本架構都是一致的，基本都採用鋰插層石墨（負極）-無水電解液-金屬氧化物（正極）的構型。這一架構多年未變，可見當年發現之經典。而97歲的古迪納夫也因此在2019年獲得了諾貝爾化學獎。
正當大家對鋰離子電池的商業市場爭奪得如火如荼之時，古迪納夫卻將目光投向了更遠的地方：全固態電池。這種電池拋棄了無水電解液，採用固態電解質，因此安全性更好、能量密度更高，有望成為下一代鋰離子電池的技術基礎。
用途廣泛的鋰元素
除了做電池這個最廣泛的用途以外，鋰在我們的生活中還有很多其他的用途。
圓珠筆芯墨水末端的無色油狀液體就是由鋰基酯製成的隨動密封劑
拆圓珠筆時會發現圓珠筆芯內墨水的上端有一段油性液體，倒置的時候它不會從筆芯裡流出來，但是墨水被用掉變少後它又會隨著墨水往下走，並且不會蒸發。這個叫隨動密封劑，是由鋰基酯製成的。它就像一個液體活塞，保證墨水不會蒸發、滲漏，並且能隨著墨水存量減少向下流動。此外，它不會與墨水混溶，性質穩定。所以鋰基酯可以代替機械活塞，大大簡化了筆芯的設計。
鋰基潤滑脂
鋰基酯除了用來做隨動密封劑以外，還可以與潤滑油或礦物油混合，製成鋰基潤滑脂。鋰基潤滑脂可以在較高溫度下正常工作，具有優良的抗水性、抗磨性，被廣泛用於各種機械的軸承、齒輪等部位，這些機械中也包括我們隨處可見的汽車。
除了鋰基酯，鋰在醫學中也有它的用處。碳酸鋰可作為精神藥物使用，用於治療躁狂症、雙相情感性精神障礙等。但該藥的治療量和中毒量較為接近，用藥過量會導致鋰中毒，因此對適應人群有一定限制，且需在醫生指導下使用。
另外，鋰的化合物可用作玻璃和陶瓷的新增劑，以幫助改善材料效能。鋰的同位素鋰6也是重要的核工業原料。總之，不光是鋰電池，鋰還以各種形式隱藏在我們生活中的各個角落，默默發揮著自己的作用。
