不一样的元素故事: “锂”跃龙门 ｜《自然-化学》专栏
本文是《自然-化学》元素故事系列的第15篇文章：锂会成为新时代的黄金吗？
原文作者：法国皮卡第儒勒-凡尔纳大学反应性和固态化学实验室 Jean-Marie Tarascon
Jean-Marie Tarascon 在本文中探讨了发现于约两百年前的锂元素的价值：锂的地位正因为其在贮存能源和电动汽车方面的应用前景而飞速提高。
虽然已经被发现差不多两个世纪了，锂却在最近搞了个大新闻：作为将要驱动下一代电动汽车的锂离子电池的主要原料，锂元素的身价可能在本世纪上涨到黄金的级别。
鉴于这种元素在地壳中并不是均匀分布的，已经有流言声称，安第斯山脉边上的南美诸国可能很快会成为“下一个中东”。现有储量和预期消耗之间的矛盾预示着，如果在接下来的五十年里，所有的车辆都改为使用电力驱动，恐怕会出现锂资源危机，届时锂会像今天的化石燃料一样价格飙升。
锂（Lithium）的原子序数为3，在周期表上位居左上角。1817年，贝采力乌斯（Jöns Jakob Berzelius）的学生Johann August Arfvedson在分析发现于1800年的叶长石（Petalite, LiAlSi4O10）时，发现了该元素的存在。贝采力乌斯将这种新元素命名为lithos，希腊语中意为“石头”。
lithium
室温下，锂单质是电正性最强的金属（标准电极电位为-3.04V，暴露在空气中时其银白色表面会因氧化而褪色），同时也是最轻（6.94 g/mol）和密度最小（0.53 g/cm3）的固体元素，而且极其易燃。由于极度活泼，在自然界中锂仅以化合物的形式存在于卤水或硬岩矿物中，而单质锂则必须在矿物油或真空安瓿中进行无水保存。
锂及其化合物具有独特的物理、化学和电化学特性，这使得它们在众多领域都能大显身手。除最近问世的锂基电池以外，铌酸锂（LiNbO3）也是非线性光学中的重要材料。工程师们还会用锂来制作高温润滑剂、为合金增加强度，以及用于进行热交换。由于有机锂化合物极强的碱性以及亲核性，其在精细化工中得到了广泛的应用，被用来合成多种化学物质。
锂制剂还因能作用于神经系统而被作为情绪稳定药物使用；在核能研究中，还可以通过利用中子轰击锂-6来制取氚（氢-3）。因此锂的市场需求保持着每年增长7-10%的势头，现在（2010年）达到了每年16万吨碳酸锂（Li2CO3）——其中大约20–25%被用于电池产业。
由于有助于缓解污染、全球暖化和化石燃料短缺等诸多问题，能量存贮科技已经变得前所未有地重要，而锂离子电池技术正是发展可再生能源和电动汽车的一时之选。
一般的锂离子电池由含锂的正极和不含锂的负极组成，中间用锂基电解质隔开。以一摩尔/升（1 mol/L）浓度的锂基电解质加上一个3.6 V的LiMPO4电极(其中M是铁或锰)做简单估算，储存每千瓦时电能大约需要消耗0.8千克的Li2CO3——而这个数字并不会随着新研发的电池技术而降低，比如锂-空气电池或是锂-硫电池都需要在负极加入额外的锂才能正常工作。另外，氚可能与氘一起被用于核聚变这一点还会进一步增加锂的需求。
从硬岩中开采锂既辛苦又昂贵，而如今大部分（83%）的锂产量来自高盐湖泊、以及其干涸后留下的盐盘：盐水首先被从湖中泵出，进入浅池中，然后太阳能会将盐水浓缩成为富含氯化锂的卤水；在这种卤水中投入苏打，Li2CO3就会沉淀出来。虽然海水中含有总量相当大的锂元素，但从海水中进行锂的提取更为困难、而且昂贵。
对全世界的锂储量进行估量极为困难——这一类议题往往是由投资者和风投资本家们推动的。如果要把现在每年生产的五千万辆汽车全部改装成“插电式混合动力汽车”(同时装有7千瓦时锂离子电池驱动的电动引擎，以及内燃机)，现在的Li2CO3产量仅能满足需求的一半；而如果要以需要40千瓦时车载电池的全电驱动车辆来考虑的话，需求将是一个天文数字。这些数字使人忧惧数十年内将要到来的锂短缺；前景黯淡。
但愿这一令人警觉的全球态势能驱使研究者考察新的电池技术，以缓解我们对锂的依赖。幸运的是，如果考虑到回收利用，问题的严重性会有所下降——金属锂的低熔点（180 °C）及其氟盐、碳酸盐以及磷酸盐的低溶解度使得锂的回收相当容易。扩大对盐卤资源的利用，同时提高回收系统的效率，应当可以满足完全依赖锂离子电池的“动力革命”的需求，从而降低地缘政治风险。 ⓝ
原文以Is lithium the new gold?为标题
发布在2010年6月1日的《自然-化学》In Your Element上
nchem|doi:10.1038/nchem.680
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