21世纪的能源金属：锂

早在20 世纪末，科学家就提出了“锂是21 世纪的金属” 这样的重大判断。时隔不久，尤其是2010 年以来的十多年间，锂电池行业迅速发展，人们已经深切地体会到锂的重要性。

▍一、逐步替代煤和油的白色能源金属——异军突起

能源不仅是保障一个国家经济安全和持续繁荣、社会文明进步的重要基础，也是每个自然人维持基本生命所不可缺少的物质支撑。能源消费结构的变化跟人类社会发展的历史阶段相一致，当前人类利用的主要是石油、天然气和煤炭，非化石能源国外占11. 8%，我国只占7% (路甬祥，2014)。大量消费化石能源的后果众所周知，党的十八大确立了2020 年在转变经济发展方式方面要取得重大进展，特别强调要推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展，确保国家能源安全。那么，非化石能源尤其是铀钍之外的金属矿产资源能不能为此做出贡献呢?

根据美国地质调查局和世界各地其他机构相关资料，锂应用增长最快的领域是锂电池行业。由于经济全球化，国际市场碳酸锂贸易价格可以中国市场碳酸锂价格作为参考。2015 年年初，中国工业级碳酸锂价格为每吨40214 元，到2015 年6 月30 日，工业级碳酸锂的价格上升至每吨45071 元，涨幅为12. 08%；2015 年下半年，由于政策红利的释放以及其他因素，碳酸锂价格一路狂涨，工业级碳酸锂价格从6 月30 日的每吨45071 元，一路暴涨到2015 年年底的每吨100753 元，涨幅高达123. 5%。

在如此诱人的“利益” 驱动下，一些与锂行业无关的国际大公司也涉足锂行业，如韩国钢铁公司POSCO 也将业务拓展到锂业，并宣称在盐湖提锂方面取得了突破性的进展，其方法只需8 个小时就可完成卤水提锂的一个流程并使回收率达到90%，而传统的蒸发池方法需要12 ~18 个月的时间，回收率还不到50%。

2016 年，全世界再一次掀起了找矿高潮，股市涉及锂的股票也高歌猛进，被称为“全球锂矿年” 或“全球找锂年”。到2017 年7 月，锂金属的价格保持在每吨80 万元的高位，比铜金属贵17 倍，比煤贵1700 倍。

▲ 2013 ~2018 年各国查明锂矿资源量统计图

▍二、老百姓推崇的高科技词汇——能源金属的概念

应该指出，锂作为能源金属，并不只是一个“概念”，而是如锂电池本身一样“润物细无声” 地深入老百姓的日常生活，也正因为老百姓的需要是“第一需求”，“能源金属”也并不是一个地质科学领域中独用的专业术语，而是老百姓习用的一个词语，并更多地出现在“股市行情” 领域，被股民常用，反而在正规的地球科学词典中没有收录这一词条。在“百度” “搜狗” “腾讯” 等搜索引擎中也没有找到“能源金属” 的明确解释。在我国的矿产资源分类体系中，如《矿产资源工业要求手册(2010)》，一般将矿产资源分为能源矿产、金属矿产、非金属矿产、宝玉石矿产和水气矿产，能源矿产和金属矿产是并列的，并没有单独的能源金属矿产或者金属能源矿产。那么，什么是能源金属矿产? 为什么要专门强调这一类别矿产资源的重要性呢?

能源金属矿产，指的是在能源领域发挥重要作用的金属矿产资源，包括铀、钍等众所周知的金属矿产，但不包括煤、油气、地热等常规、非金属能源矿产。显然，这一概念是按照矿产资源的最终用途来界定的，也就是说，能源金属矿产应该具备以下两个基本条件：①属于金属矿产；②在能源领域发挥重要作用。具体来说，除了像铀矿和钍矿这样的主要用于核能领域的金属矿产之外，其他只要是可在能源领域发挥重要作用的金属矿产也都可以涵盖进来。与此对应的概念则是能源非金属矿产。从这样的概念出发，锂、钽、镓等稀有、稀散金属及稀土金属也都可以归属于能源金属矿产，因为这些金属矿产在能源领域的重要性越来越大，而在传统的其他领域(如冶金、化工、军事) 中的占比趋于下降。需要指出的是，把某一金属归属于能源金属，并不排斥其在非能源领域的应用或者其非能源属性。这也是社会经济与科学技术发展到一定阶段的必然趋势，就好像石墨本身属于非金属但其金属特征在未来社会中的重要性将越来越明显一样，像锂这样的金属矿产也必将在能源领域中占据一席之地。锂已经被广泛认可为“21 世纪的能源金属”。当然，对于“在能源领域发挥重要作用” 的理解是可以有变化的，重要和非重要本来就是相对的，而且是随着经济技术的发展而变化的。因此，对于能源金属的认识也是会变化的。

如果将能够产生能源的金属归为能源金属，则相应的矿产即能源金属矿产。由金属产生的能源也就可以称为金属能源。金属能源显然不属于化石能源，在能源总量中也只占不大的比例。要对各种各样的金属根据其在能源领域中的应用进行分类，不是一件容易的事，不只是因为对“能源金属” 的概念尚未达成共识，更是因为随着科学技术的快速发展，哪些金属能在能源领域发挥作用、发挥什么样的作用、如何发挥作用、何时发挥作用，都存在不确定性。

为此，本书也只是尝试性地提出一个能源金属的分类方案，该分类方案不妨用“供、生、助、藏、节” 五字概括(王登红等，2016a，2017a，2018，2019)，具体为：

①直接提供能源支撑的金属；

②间接或者通过化学反应等方式产生能源的金属；

③能源领域不可缺少的辅助金属；

④储藏能源的金属；

⑤可以显著节约能源的金属。

▍三、锂作为能源金属的可行性——无与伦比

锂，不但是人类梦寐以求的产生能源的强手(可控核聚变)，也是储藏能源并引领新兴产业快速发展的抓手(如锂电池)，更是无处不在的节约能源的好手(如各种各样的润滑剂)。

产生能源。在早期的氢弹中，氘化锂是聚变燃料。另外，氟化锂是氟盐混合物(LiF-BeF₂) 的基本构成成分，用在液体氟化物核反应堆中。氟化锂在化学上特别稳定，LiF/BeF₂混合物具低熔点特点，具有氟盐组合中适合反应堆利用的最佳中子特性。自原子弹、氢弹爆炸以来，人们早已实现了原子能的民用，建立了完备的原子能工业，但主要是把“原子弹” 由战略性军用拓展为民用，“氢弹” 的民用仍然是科学家，也是人民大众所梦寐以求的，其原因就是“氢弹太厉害了”，无法控制。为此，“可控核聚变” 成为全世界仅次于国际空间站的第二大国际合作大计划项目。试想一下，1g 锂放出的有效能量最高可达8500 ~72000kW·h，比235U 裂变所产生的能量大8 倍，相当于3. 7t 标准煤(王乃银，1989)。那么，如果以锂来代替煤的话，中国的环境保护问题将会得到多大的改观啊!

储藏能源。按照美国科学界的预测，要实现可控核聚变，还需要25 ~ 40 年的时间，而自2010 年以来几乎人手一部的“手机” 却忽如一夜春风来，不知不觉中遍及街头巷尾，惠及寻常百姓。手机也好，相机也好，笔记本电脑也罢，都广泛地使用了不同种类的锂电池。这就发挥了锂作为能源储存金属的重要性。锂电池是可任意使用的电池，使用锂金属或锂化合物作为阳极。锂电池不可与锂离子电池混淆，锂离子电池是使用高能密度的充电电池。铌酸锂广泛用在无线电通信产品中，如手机和光调制器等。目前，60% 以上的手机使用锂产品。

节约能源。锂在节约能源方面的作用，并不如锂电池那么众所周知，但其实是无孔不入的，至少体现在四个大的方面：①作为润滑剂，减轻摩擦而降低能耗；②作为结构材料，减轻构件的重量而降低能耗；③作为关键性辅助材料，通过改善设备、材料等的性能而降低能耗；④通过改变冶金、化工、机械等工业领域的物理化学反应过程来降低能耗。例如，美国在20 世纪70 年代发现，把锂辉石或含锂原材料加入拜耳法炼铝的工业生产流程中，可以大大降低用电量，这种工艺曾经占用锂的2/3 的消耗量，在陶瓷、搪瓷和玻璃工业中也广泛应用。氧化锂是重要的锂化合物，具强碱性质，当与脂肪一起加热时，产生锂肥皂。锂肥皂可增厚油脂，商业上可用于制造润滑脂等。硬脂酸锂就是一种常用的高温润滑剂。锂用作助熔剂，在焊接过程中可促进金属的熔化，还可以通过吸收杂质，去除或阻止氧化物的形成。锂与铝、镉、铜和锰化合，既可以用以制造高性能的飞机、火箭及其他航空器的高端部件，还可以减轻重量，使之在同样的动力条件下飞得更远，维持时间更长。金属锂和其复杂的氢化物如Li[AlH4 ] 等，被认为是火箭推进剂的高能添加剂。锂及其化合物可用于生产硼氢化物及作新型高能燃料的加成剂，用于飞机、火箭、导弹、炮弹及潜艇、等离子火箭发动机的推进燃料。这种推进剂具有燃烧温度高、火焰宽、发热量大、排气速度快等特点。用溴化锂溶液(55%) 作热流体的吸收式空调器，与冷冻式或压缩式空调器相比具有一系列的优点，已经广泛用于人造纤维、制药、纺织和高温工业企业以及住宅、公共设施、超高层建筑和潜艇等。

▍四、比铀更强大更安全的能源金属——锂的独特性

最典型的能源金属就是铀。铀和钍都是典型的能源金属，核能也就是典型的金属能源。实际上，直接用于核能领域的不只有铀和钍，在核聚变反应堆中锂是主角之一。核聚变反应是氘(D) 和氚(T) 的反应，氘在天然海水中含量丰富且易于提取，但氚在自然界几乎不存在。那么，如何获得氚呢? 这就需要靠中子来轰击6Li。也就是说，6LiD (氘化锂-6) 是核聚变反应堆的主要原料。1g 氘聚变约等于100m³ 汽油的能量，每升海水中有0. 003g 氘，聚变后能量等于300L 汽油的能量，因此，一旦核聚变电站工业化，锂将作为典型的能源金属回归能源领域，在核聚变、锂电池及储能装置等方面发挥重要作用，锂工业发展的前景无疑是光明的。国际核聚变反应堆预计在2040 年前建成2000 ~4000MW 的示范性核聚变电站(游清治，2013)。中国于1967 年6 月17 日成功爆炸的第一颗氢弹，利用的就是氘化锂。据估计，1g 锂放出的有效能量最高可达8500 ~72000kW·h，比235U裂变所产生的能量大8 倍，相当于3. 7t 标准煤(王乃银，1989)。生产100 亿kW·h 的锂反应堆，只需要10t 金属锂(吴荣庆，2009)。

早在20 世纪50 年代，许多国家原子反应堆已经运转，那时叫作原子锅炉。这种锅炉的设计师考虑到诸多原因未采用水作为载热体。用焙融金属传送过剩热的反应堆问世，首先使用了钠和钾。但是，锂相对这两种金属具有许多优点：第一点，锂轻；第二点，锂的热容量大；第三点，锂的黏度低；第四点，液态锂的温度范围(熔点和沸点之间的温差)很宽广；第五点，锂的腐蚀性远弱于钠和钾。上述的一些优点使锂有足够条件作为原子反应堆元件。看来，锂“命中注定” 要成为热核聚变反应不可代替的参加者之一。

氢的重同位素氘和氚核子聚合反应时应当释放出的能量比铀核子衰变时释放出的能量大若干倍，据此在1951 年7 月研制成氢弹，从而比以前知道了更多的东西。但是，根据这种核嬗变，似乎存在不能解决的矛盾。为了使氘核和氚核能够融合，需要大约5000 万摄氏度高温。但为了反应的进行，还需要使原子碰撞。物质中的原子越密集，碰撞(和随后的融合) 概率越大。计算表明，物质只有处于液态才有上述可能。氢同位素只有在接近绝对零度的温度条件下才能成为液体。

这样一来，一方面必须是超高温，而另一方面必须是超低温，然而这毕竟是要在同一种物质、同一个物体中实现。只有利用氢化锂的变体——氘化锂-6 才可能制成氢弹。氘化锂-6 是氢的重同位素氘和质量数为6 的锂同位素的化合物。氘化锂-6 之所以重要，原因有二：第一，它是固体物质，可以在零上温度储存“浓缩” 氘；第二，它的组分6Li 是制取最短缺的氢同位素氚的原料。特别是，6Li 是制取氚的唯一工业来源：

这个核反应所需的中子是引爆氢弹的原子“雷管”，它还造成热核聚变的反应条件(温度约5000 万摄氏度)。对原子能技术来说，还有一种锂同位素的化合物7LiF 也很重要，用它可直接在反应堆中溶解铀和钍的化合物。

▍五、为从根本上解决能源问题而努力——可控核聚变

世界上许多国家都在积极地开展新能源的研究和开发，锂就是其中最引人注目的一个方向，而且有可能成为今后开发新能源的顶梁柱。与铀矿主要用于军用和原子能发电不同的是，锂更多的是民用，但同样可以在军用和原子能发电领域发挥更大的作用，其潜力就像氢弹比原子弹威力更大一样。

民用领域，许多国家对锂有机电解质电池、锂无机电解质电池、锂熔盐电解质电池、锂固体电解质电池和锂水电池等，进行了大量的研究工作。根据不同的用途已试制和生产出许多各具特色的锂电池。它已广泛用于心脏起搏器、台式或袖珍电子计算机、电子手表、助听器、摄影记录器、磁带录音机、闪光灯、灯塔、浮标、电视及便携式无线电装置，甚至还可用作电动玩具的电源，等等。

但为了从根本上解决能源问题，国际核聚变反应堆技术追求的是日益“民用化” 和“商业化”，国际上对于“核聚变电站” 计划(ITER，俗称“人造太阳”，是国际上仅次于“国际空间站” 的第二大项目) 的研究正在加快步伐。金属锂在受控热核聚变中的应用是不可替代的，锂既是生产氚的原料又是理想的冷凝剂。除参加聚变反应之外，把锂兼作冷凝材料的液体增殖区的核聚变电站需要锂量是很大的，对于一个1000MW 的核聚变电站，用锂量为500 ~1000t。美国研究和发展管理局(ERDA) 对2030 年核聚变用锂量进行了预测，预计美国到2030 年，核聚变用锂量最少为1. 6 万t，最多可达7 万t。我国虽然有丰富的锂资源，但金属锂的产量只有美国的1% (王秀莲等，2001)，寻找高品质的锂矿资源，与研究出低成本、高质量、无污染的生产锂的方法一样迫在眉睫。

全世界的学者多年来致力于研究平稳的受控热核聚变问题，即如何人为地控制住威力巨大的“核聚变”，使之造福人类。这个问题迟早是能够解决的。一方面，地质学家在自然界寻找天生就富集了不同种类的锂同位素的自然资源，四川的容须卡、甲基卡和马尔康一带的锂辉石就比盐湖中的锂更加富集6Li，而如前所述，只有氘化锂-6 才可能制成氢弹；另一方面，原子能方面的科学家已经在众多方面取得了创新，中国的托卡马克装置已经在数量上和质量上居于世界前列。2017 年7 月，我国宣布超导托卡马克装置“东方超环” (EAST) 再次取得突破，在全球首次实现了百秒以上的稳态高约束运行模式，相当于稳定地“燃烧” 了上百秒。“人造太阳” 工程的这一进步，标志着人类离实现可控核聚变的梦想更进了一步。

总之，战略性新兴产业矿产中的代表性矿种——锂，已经越来越受到重视。但是，目前还只是从储能的角度，即各种各样的锂电池，被老百姓所熟悉，而锂的高端利用——通过可控核聚变服务于人类，则还是一个翘首以盼的美梦，可能在不远的将来变成现实。

本文摘编自《大型锂资源基地调查评价的理论、方法与实践：以川西甲基卡超大型锂矿为例》（王登红等著.北京：科学出版社，2021. 12）一书“第一章 概论”，标题为编者所加。

（本文编辑：刘四旦）

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