鋰作為化學(xué)元素周期表中的第3號(hào)元素，是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的最輕的金屬元素，室溫下金屬鋰的密度為0.534 g/cm3，只有水的一半左右，因而可以浮在石蠟表面（圖1）。含鋰礦主要以鋰輝石、鋰云母等礦石形式存在，在地殼中質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.0065%。鋰被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間晚于鉀和鈉，且較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)制備鋰單質(zhì)的技術(shù)成本高昂，因而從發(fā)現(xiàn)鋰元素到可以工業(yè)制備鋰單質(zhì)間隔了數(shù)十年[1]。起初，鋰的工業(yè)應(yīng)用范圍較窄，僅有部分鋰的化合物應(yīng)用在如玻璃陶瓷等少數(shù)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著鋰電池的大量應(yīng)用和飛速發(fā)展以及鋰在核電站中的作用被發(fā)掘，金屬鋰有了“21世紀(jì)能源金屬”的美譽(yù)，在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

1.   鋰的主要應(yīng)用領(lǐng)域

作為21世紀(jì)的重要能源金屬，鋰在儲(chǔ)能、產(chǎn)能和節(jié)能等諸多領(lǐng)域都有著廣泛且影響深遠(yuǎn)的應(yīng)用。例如：在儲(chǔ)能領(lǐng)域，20世紀(jì)以來(lái)鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)不斷革新，鋰電池的容量密度變得更大，循環(huán)壽命變得更長(zhǎng)，使用時(shí)的安全可靠性變得更高，金屬鋰在電池領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Φ靡员豢焖偌ぐl(fā)。在產(chǎn)能領(lǐng)域，自20世紀(jì)人類開始?xì)鋸椦芯恳詠?lái)，作為能源金屬的鋰金屬就在核聚變反應(yīng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。通過(guò)中子轟擊${}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">3</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">6</span>}}\text{<span style="font-size:16px;">Li</span>}$來(lái)產(chǎn)生氚進(jìn)而和氘實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)；氟化鋰被用作核反應(yīng)堆的堆芯。在節(jié)能領(lǐng)域，在陶瓷工業(yè)中，向陶瓷原料中加入少量鋰輝石可以降低燒成溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1.1   鋰在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1.1   鋰電池發(fā)展概況

鋰電池種類豐富各具特色，科研工作者對(duì)電池優(yōu)異性能的孜孜追求，推動(dòng)著鋰電池行業(yè)工藝技術(shù)持續(xù)革新。自1912年Gilbert N. Lewis提出了鋰電池相關(guān)理論至今，鋰電池的發(fā)展歷經(jīng)了鋰一次電池（鋰原電池）和鋰二次電池（鋰可充電電池）不同種類的多個(gè)研究階段。20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)一定發(fā)展的鋰原電池由軍事應(yīng)用拓展為民用。為了保護(hù)環(huán)境減少電池廢料的產(chǎn)生，鋰二次電池的研究也開始得到關(guān)注[2]。鋰二次電池研究起步階段，科學(xué)家們聚焦研究的主要是金屬鋰直接作為電池負(fù)極的鋰二次電池。20世紀(jì)80年代，在鋰二次電池的開發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰枝晶等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電池充電過(guò)程完成度和效率降低；與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)電極和電解質(zhì)溶液間接觸的界面是影響電池工作性能的關(guān)鍵因素[2]。這些發(fā)現(xiàn)使得研究人員對(duì)原先的鋰二次電池提出了改進(jìn)方案：用其他含鋰化合物代替金屬鋰作為電池負(fù)極；用凝膠或固體電解液代替原有液態(tài)電解液。這兩種改進(jìn)方案均被證實(shí)是有效的方案，并且分別促成了對(duì)鋰離子電池和鋰聚合物電池的開發(fā)和研究。又經(jīng)過(guò)了二三十年的發(fā)展，鋰離子電池逐步形成了多個(gè)頗具競(jìng)爭(zhēng)力的電池品種，且未來(lái)仍有科技突破及創(chuàng)新的空間。在當(dāng)前儲(chǔ)能領(lǐng)域被投入密切關(guān)注的情況下，鋰離子電池被賦予巨大希望和期盼。

1.1.2   鋰離子電池主要品種及性能

不同于常規(guī)的可充電化學(xué)電池，鋰離子電池在充放電過(guò)程中存在Li+在正負(fù)（陰陽(yáng)）兩極之間的電化學(xué)嵌入和脫嵌反應(yīng)，進(jìn)而使得Li+可在兩極間來(lái)回移動(dòng)（圖2）。這個(gè)特性使鋰離子電池又被形象地稱為“搖椅式電池”。鋰離子電池的循環(huán)壽命比鉛酸電池等可充電化學(xué)電池有顯著提高。同時(shí)，由于鋰離子來(lái)回移動(dòng)的過(guò)程未破壞電極晶格結(jié)構(gòu)，電池反應(yīng)可逆性得以改善，而當(dāng)外加大充電電流時(shí)鋰離子在兩極中的快速移動(dòng)可以更好地實(shí)現(xiàn)快速充電[2]。應(yīng)用于兆瓦級(jí)儲(chǔ)能領(lǐng)域的鋰離子電池主要有三種：磷酸鐵鋰離子電池、鈦酸鋰離子電池和三元鋰離子電池。

磷酸鐵鋰離子電池的正極材料磷酸鐵鋰價(jià)格低廉來(lái)源廣泛，且工作電壓大，能量密度大，熱穩(wěn)定性好，高溫性能好，熱峰值可達(dá)350~500 °C，工作溫度范圍廣。磷酸鐵鋰離子電池多用于大規(guī)模電能儲(chǔ)存，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展較為完善[3]。但是，在制備燒結(jié)磷酸鐵鋰過(guò)程中氧化鐵可能會(huì)被還原性氣氛還原成鐵單質(zhì)，進(jìn)而造成電池的微短路。

鈦酸鋰離子電池是用鈦酸鋰材料作為電池負(fù)極制成的新型鋰離子電池。鈦酸鋰離子電池具有安全性高、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)保的明顯優(yōu)勢(shì)。負(fù)極鈦酸鋰材料與石墨相比有更高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高倍率、更快速度的充放電。但是，相比于磷酸鐵鋰離子電池，鈦酸鋰離子電池能量密度較低且制作工藝較為復(fù)雜；同時(shí)鈦酸鋰材料作為負(fù)極時(shí)可能在電池循環(huán)充放電過(guò)程中出現(xiàn)電極和電解液相互作用導(dǎo)致有氣體析出的情況，出現(xiàn)“脹氣”現(xiàn)象，進(jìn)而影響其正常工作性能。普通鈦酸鋰離子電池充電循環(huán)約1500~2000次之后就可能會(huì)出現(xiàn)“脹氣”現(xiàn)象。

三元鋰離子電池通常是指正極材料為鎳鈷錳三元聚合物的二次鋰離子電池，結(jié)合了鎳酸鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰三類材料的特點(diǎn)。與磷酸鐵鋰離子電池相比，三元鋰離子電池的電池能量密度更大、容量更高，且電池的循環(huán)性能較好，生產(chǎn)成本較低。但是，三元鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性存在不足，在250~300 °C容易分解，工作時(shí)電池反應(yīng)劇烈，若氧分子被釋放出來(lái)即有可能引發(fā)爆燃。此外，其生產(chǎn)原料鈷是有毒金屬，可能造成環(huán)境污染等問(wèn)題。

表1對(duì)比了三種鋰離子電池和鉛酸蓄電池的性能特點(diǎn)[4]。

由表1可見，三元鋰離子電池具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，鈦酸鋰離子電池具有高倍率性能的優(yōu)點(diǎn)，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池具有成本較低的特點(diǎn)，磷酸鐵鋰離子電池和鈦酸鋰離子電池的安全性較高[4]。

1.2   鋰在產(chǎn)能領(lǐng)域的應(yīng)用

核聚變發(fā)電是將兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)新的原子核來(lái)釋放原子能并利用的技術(shù)。核聚變反應(yīng)開始階段需要超高溫超高壓條件，在滿足這一條件后，氘和氚聚合釋放大量能量，同時(shí)核聚變反應(yīng)產(chǎn)物中有中子可以與鋰發(fā)生反應(yīng)以提供氚這一核聚變反應(yīng)原料從而使得反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行。例如，可控核聚變領(lǐng)域應(yīng)用較多的托卡馬克裝置（圖3）就是利用磁約束實(shí)現(xiàn)可控核聚變[5]，同時(shí)通電后利用內(nèi)部的磁場(chǎng)來(lái)加熱等離子體以滿足核聚變反應(yīng)的開始條件。

核聚變反應(yīng)原料之一——氘在地球海洋中可以較為容易地得到，且每升海水中含有0.03 g氘[5]，儲(chǔ)量豐富。核聚變反應(yīng)的另一種原料——氚可以利用鋰來(lái)產(chǎn)生，因而在核聚變反應(yīng)中鋰扮演著極為重要的角色，是產(chǎn)生聚變?cè)想暗年P(guān)鍵物質(zhì)，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中鋰又可以被有效回收利用，從而提高核聚變反應(yīng)的理論可持續(xù)進(jìn)行的年限。自然界中，同位素占比約為7.5%的6Li中子截面比7Li更大[5]，因而在實(shí)際反應(yīng)中通常利用這一特性使6Li與中子反應(yīng)生成核聚變必要原料氚。方程式為${}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">3</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">6</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">L</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">i</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>{}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">0</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">n</span>}<span\; style="font-size:16px;">\to </span>{}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">4</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">H</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">T</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">4.8</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">M</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">V</span>}$，生成氚之后，氘和氚反應(yīng)放出大量能量并形成高溫：$\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">D</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">T</span>}<span\; style="font-size:16px;">\to </span>{}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">4</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">H</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>{}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">0</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">n</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">17.6</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">M</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">V</span>}$，$\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">D</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">D</span>}<span\; style="font-size:16px;">\to </span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">T</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">p</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">4.04</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">M</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">V</span>}$，$\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">D</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">D</span>}<span\; style="font-size:16px;">\to </span>{}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">3</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">H</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>{}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">0</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">1</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">n</span>}<span\; style="font-size:16px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">3.27</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">M</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">e</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">V</span>}$，反應(yīng)過(guò)程中釋放大量熱量，使得中子可以與鋰發(fā)生反應(yīng)再產(chǎn)生新的氚用于持續(xù)推進(jìn)聚變反應(yīng)的進(jìn)行。每升海水中的30 mg氘全部用于核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300 L汽油燃燒釋放出的熱量[6]，可見核聚變反應(yīng)產(chǎn)能效益十分可觀。

在核聚變反應(yīng)中，鋰不僅是產(chǎn)生氚的必需品，同時(shí)還承擔(dān)了傳輸反應(yīng)熱量的關(guān)鍵任務(wù)。因?yàn)殇嚨囊簯B(tài)工作范圍大，蒸氣壓低，所以有助于冷卻系統(tǒng)避免出現(xiàn)沸騰或固化等情況。由于鋰的比熱容大，一般為3550 J/(kg·K)，而且密度低，因此更適合在循環(huán)系統(tǒng)中工作以減輕泵等設(shè)備的工作壓力。

上述兩方面的作用使得鋰在熱核反應(yīng)中有著十分重要的地位。美國(guó)能源與發(fā)展署在關(guān)于2030年核聚變用鋰量的預(yù)測(cè)報(bào)告中分析指出將需要1.6~7.0萬(wàn) t鋰以保證其參與核聚變反應(yīng)和傳導(dǎo)熱量?jī)芍刈饔玫陌l(fā)揮和實(shí)現(xiàn)[5]，由此鋰在產(chǎn)能領(lǐng)域的重要性可見一斑。

1.3   鋰在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

1.3.1   溴化鋰的節(jié)能貢獻(xiàn)

溴化鋰是一種白色晶體或顆粒狀粉末，溶于水和多種有機(jī)溶劑，可用作吸收性制冷劑，在工業(yè)生產(chǎn)中用途廣泛。通常可以用氫溴酸和氫氧化鋰中和反應(yīng)或氫溴酸溶解碳酸鋰等方法結(jié)合后續(xù)的提純處理手段來(lái)得到溴化鋰[7]。

用溴化鋰作為吸收劑的吸收式熱泵可以有效利用冶金工業(yè)廢氣余熱使其作用于發(fā)生器，進(jìn)而作用于蒸發(fā)器為冶金生產(chǎn)過(guò)程供冷。冶金工業(yè)廢氣余熱等低品位熱能主要來(lái)自對(duì)高爐頂氣、干熄焦蒸汽和加熱爐煙氣的回收利用[8]。溴化鋰吸收式熱泵為冶金生產(chǎn)過(guò)程供冷主要包括：對(duì)煤氣進(jìn)行降溫提取產(chǎn)品；操作控制系統(tǒng)用冷如傳動(dòng)室和控制室等的降溫保證設(shè)備系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；辦公和休息區(qū)域的供冷需要[8]。單效LiBr吸收式熱泵工作原理如圖4所示[9]。

1.3.2   鋰輝石的節(jié)能應(yīng)用

鋰輝石的化學(xué)式為L(zhǎng)i2O·Al2O3·4SiO2(8%Li2O)，屬于富鋰花崗巖的特征產(chǎn)物（圖5）。由于鋰輝石中含有的鋰離子半徑在金屬離子中最小，因此化學(xué)活性大，可以形成強(qiáng)的熔劑作用[10]，使得鋰輝石作為添加劑加入產(chǎn)品中能有效提高產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性，并降低生產(chǎn)的工作溫度，發(fā)揮重要的節(jié)能作用。在玻璃和陶瓷等生產(chǎn)行業(yè)鋰輝石已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在陶瓷工業(yè)中，作為陶瓷原料的鋰輝石加入較少量就可以展現(xiàn)較為明顯的熔劑效應(yīng)，進(jìn)而可以降低燒成溫度，縮短燒成周期，促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能減排；同時(shí)，加入鋰輝石后形成的β-鋰鋁硅酸鹽固溶體等物質(zhì)會(huì)降低陶瓷整體的線膨脹系數(shù)[11]，提高陶瓷成品的抗腐蝕和抗震性能。在玻璃工業(yè)中，向生產(chǎn)的一般玻璃里加入氧化鋰，其斷鍵作用會(huì)起到明顯的助熔效果，降低玻璃原本的熔制溫度，降低生產(chǎn)能耗，同時(shí)改善玻璃品質(zhì)，提高產(chǎn)量。

2.   鋰的應(yīng)用中存在的問(wèn)題

2.1   鋰及其化合物的獲取

我國(guó)鋰資源儲(chǔ)量較豐富，在全球居于前列。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2015年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)已探明鋰資源儲(chǔ)量約540萬(wàn) t，約占全球總探明儲(chǔ)量的13%。我國(guó)的鋰資源分布較集中，鹵水鋰資源占大多數(shù)且鹵水伴生元素多[12]。目前鋰礦開采方式主要有礦石提鋰和鹵水提鋰。由于技術(shù)瓶頸等因素的影響，礦石提鋰仍是我國(guó)主要的鋰礦開采途徑。其原因在于鹵水中的鎂鋰比值影響著鹵水提鋰的難度，而這一比值在我國(guó)的鹵水鋰資源中處于較高的水平。例如，青海省鋰的儲(chǔ)量豐富，但由于高的鎂鋰比和提鋰技術(shù)的不足致使開發(fā)困難[13]。放眼全球，自20世紀(jì)60年代美國(guó)開始對(duì)鹵水提鋰技術(shù)的研究至今，鹵水提鋰已經(jīng)逐漸成為國(guó)際上鋰礦開采的主導(dǎo)方式。這一形勢(shì)曾在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)10年代期間對(duì)主要通過(guò)礦石提鋰的我國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中造成較大沖擊，使我國(guó)鋰產(chǎn)量波動(dòng)較大[14]。在2022年4月28日召開的“鋰電之都”產(chǎn)業(yè)生態(tài)及供應(yīng)鏈大會(huì)上，中國(guó)工程院院士鄭綿平指出當(dāng)前我國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)存在鋰資源供不應(yīng)求和對(duì)外依存度高的問(wèn)題，我國(guó)的鋰資源未來(lái)需求存在較大的缺口。因此，鋰資源的需求缺口成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。與此同時(shí)，在鋰礦開采過(guò)程中易出現(xiàn)各種伴生資源，在追求鋰開采量的今天，可能會(huì)忽視對(duì)于這些伴生資源的合理回收利用[12]，致使其回收率較低，造成了一定程度的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

2.2   鋰離子電池的使用與回收

鋰離子電池經(jīng)過(guò)快速的發(fā)展已成為當(dāng)下最常用的鋰電池種類。但是在逐漸成熟的理論和技術(shù)條件下，仍存在諸如電極材料選取與配合等問(wèn)題限制了鋰離子電池工作性能的提高，同時(shí)鋰離子電池達(dá)到使用壽命后的回收利用程度仍需提高等問(wèn)題也是鋰離子電池新技術(shù)所要突破的方向。

2.2.1   鋰離子電池的使用性能

鋰離子電池選用的正負(fù)極材料性能在使用過(guò)程中仍有提升的空間和必要性。正負(fù)極材料的容量大小、正極材料的循環(huán)性能、電導(dǎo)率以及傳導(dǎo)鋰離子的速率都是影響著電池功率密度和能量密度的關(guān)鍵因素[15]。因而，通過(guò)選取具有更好性能的一種或多種材料制作電極以及合理改變電極材料的結(jié)構(gòu)是需要繼續(xù)探究的領(lǐng)域。

2.2.2   鋰離子電池的回收利用

廢舊鋰離子電池的有效回收可以減少電池廢料對(duì)環(huán)境的不利影響，同時(shí)節(jié)約電池制造的原料成本和加工成本等，有著重要的實(shí)際意義。廢舊鋰離子電池的回收通?？梢苑譃殡姵仡A(yù)處理、金屬富集提取和產(chǎn)品制備三個(gè)環(huán)節(jié)[16]。每個(gè)環(huán)節(jié)都有多種技術(shù)可應(yīng)用于不同的實(shí)際情況，且各有利弊。例如，在預(yù)處理過(guò)程中，進(jìn)行電池放電處理為后續(xù)處理過(guò)程做準(zhǔn)備所用的鹽漬法，具有操作簡(jiǎn)單、放電穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但這一操作存在產(chǎn)生含氟和含磷產(chǎn)物的隱患；目前對(duì)于鋰離子電池的回收處理主要聚焦于正極材料的有效回收利用，而對(duì)于電池電解質(zhì)溶液的回收處理相對(duì)關(guān)注較少，這一方面的研究仍有許多探索空間。

2.3   熱核反應(yīng)中氚的回收

在多個(gè)國(guó)家合作進(jìn)行的ITER ( International thermonuclear experimental reactor )項(xiàng)目的液態(tài)鋰鉛合金包層模塊中，由于裝置長(zhǎng)期運(yùn)行，底部的鋰鉛合金殘?jiān)袝?huì)攝入少量氚[17]，因此對(duì)其進(jìn)行有效回收是重要且有必要的?；厥詹僮骺梢詼p小鋰鉛合金殘?jiān)派湫曰疃?，降低?duì)環(huán)境的污染；同時(shí)可以回收富集這部分氚，使其有望成為新一輪熱核反應(yīng)的原料以節(jié)約制備氚所需的鋰的用量。目前對(duì)于熱核反應(yīng)中氚廢料的回收處理主要聚焦于貯氫材料和氘氚化鋰中的氚，因而鋰鉛合金殘?jiān)须暗幕厥丈行枰嗟募夹g(shù)支撐。

3.   應(yīng)對(duì)措施與思考

3.1   鋰及其化合物的獲取

3.1.1   我國(guó)高鎂鋰比鹵水提鋰技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)鋰資源大部分以鹵水形式存在，因而提高鹵水提鋰技術(shù)水平對(duì)于鋰資源更充分地采集和利用至關(guān)重要，目前鹵水提鋰的主要方法有沉淀法、溶劑萃取法和離子篩吸附法[18−20]。但是我國(guó)的含鋰鹵水中鎂鋰比較高，適用于國(guó)外低鎂鋰比的沉淀法直接應(yīng)用于我國(guó)的生產(chǎn)實(shí)際中容易造成需要沉淀劑過(guò)多的問(wèn)題，因而需要開發(fā)新的高效的堿性沉淀劑，以減少沉淀劑用量，提高產(chǎn)量。針對(duì)已知的鋰離子和鎂離子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特點(diǎn)，開發(fā)高選擇性和大萃取容量的離子液體萃取劑來(lái)進(jìn)行溶液萃取也是一個(gè)重要的研究方向。大環(huán)化合物[20]對(duì)于高鎂鋰比情況下的鹵水提鋰存在較大優(yōu)勢(shì)，對(duì)鋰離子有較好的選擇性并適合工業(yè)應(yīng)用，因而冠醚等大環(huán)化合物應(yīng)用于我國(guó)高鎂鋰比鹵水提鋰的相關(guān)研究有望使我國(guó)鹵水提鋰技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)新的曙光。

3.1.2   鋰資源伴生資源的合理利用

以對(duì)新疆偉晶巖型鋰多金屬礦伴生資源的回收利用為例。該鋰礦的伴生資源中有價(jià)元素有鉭、鈮和錫[21]。其中鉭、鈮主要以各自形成的鐵礦形式存在，錫主要以錫石形式存在。通過(guò)粗選、預(yù)富集、強(qiáng)磁選和離心分離的流程將三種有價(jià)元素從鋰礦中富集出來(lái)。經(jīng)合適的粒度選擇以及磁場(chǎng)強(qiáng)度、脈動(dòng)頻率等工作參數(shù)的合理設(shè)置，最終可通過(guò)這一流程獲得回收率49.50%的五氧化二鉭、回收率58.37%的五氧化二鈮以及錫回收率54.39%的錫精礦[21]。

3.1.3   其他礦產(chǎn)資源中伴生鋰資源的收集

類似于鋰礦中存在含鉭鈮錫元素的伴生資源，對(duì)其他礦產(chǎn)的開發(fā)過(guò)程中也可能發(fā)現(xiàn)其存在伴生的鋰資源。例如焦作地區(qū)的黏土礦勘探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了黏土巖礦中伴生的鋰[22]，經(jīng)化學(xué)分析，其中氧化鋰含量最高達(dá)1.81%。整個(gè)礦區(qū)內(nèi)氧化鋰儲(chǔ)量達(dá)12.9萬(wàn)t，價(jià)值巨大。這其中伴生的鋰主要以鋰綠泥石形式存在，其余分散在高嶺石等其他礦物里。對(duì)這一部分的伴生鋰進(jìn)行中試試驗(yàn)后合成了鋁鈉復(fù)合型鋰鹽。因而在將來(lái)對(duì)各種礦產(chǎn)深層次多角度的勘察勘探有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)新的伴生鋰，增添鋰資源的來(lái)源。

3.1.4   著眼于星際空間獲取鋰資源

在太陽(yáng)系中，水星和小行星帶上的小行星蘊(yùn)含有儲(chǔ)量豐富的鐵鎳礦產(chǎn)資源，地球的衛(wèi)星月球上也有著鉀、硅、鎂和3He（可用于進(jìn)行氦核聚變）資源，因而可以聯(lián)想，太陽(yáng)系中存在含有較多鋰礦儲(chǔ)量的星體是有可能的。在將來(lái)，隨著人類星際探索科技水平達(dá)到一定程度，星際資源的開發(fā)也就可能被投入更多的關(guān)注，屆時(shí)通過(guò)星際獲取鋰資源也有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

3.2   鋰離子電池的使用與回收

3.2.1   鋰離子電池性能的提高

鎳鈷錳三元聚合物鋰離子電池是目前主要使用的三種鋰離子電池之一，由于其正極材料為三元聚合物，兼具了多種鋰電池的功能優(yōu)勢(shì)。以此可以得到啟發(fā)：多種材料復(fù)合或聚合構(gòu)成的新材料作為電池電極可能會(huì)帶來(lái)不同種鋰離子電池優(yōu)勢(shì)的融合，提升電池的性能。石墨烯具有特殊的二維結(jié)構(gòu)，是真正的表面性固體（其所有碳原子均暴露在表面）[15]，具有可以改善電極性能的優(yōu)良理化特性，可以提高鋰離子電池能量密度并改善電池循環(huán)性能等。因此，原有電極加入石墨烯構(gòu)成復(fù)合電極是一種提升電池性能的不錯(cuò)選擇。對(duì)于電池負(fù)極來(lái)說(shuō)，石墨烯具有高的比表面積，且有大量的微孔缺陷，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以使得儲(chǔ)鋰量得到提高，和石墨負(fù)極相比可以使得鋰離子更快地進(jìn)行嵌入-脫嵌反應(yīng)過(guò)程。此外，單層石墨烯的導(dǎo)熱性也比石墨電極更好，可以提高電池散熱能力，提高電池安全系數(shù)。

對(duì)于電池正極而言，加入石墨烯以復(fù)合材料形式構(gòu)成正極同樣可以提高電極的工作性能。以常用的錳酸鋰和磷酸鐵鋰電極為例，其在使用中會(huì)出現(xiàn)電解液電阻率較大、鋰離子遷移速率較慢以及電子傳導(dǎo)能力差等問(wèn)題。通過(guò)利用原位溶劑熱法等科學(xué)方法將石墨烯復(fù)合進(jìn)入正極中形成磷酸鐵鋰/石墨烯/碳復(fù)合材料，可觀察到由于石墨烯的加入其內(nèi)部出現(xiàn)了三維的空間導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，更有利于電子和離子的運(yùn)動(dòng)和傳輸。

在未來(lái)可以尋找在熱、電性能方面表現(xiàn)優(yōu)異的獨(dú)特材料與現(xiàn)有電極進(jìn)行復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的融合；同時(shí)可以通過(guò)改變現(xiàn)有材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高帶電粒子傳輸速率等性能從而提升電池效率。

3.2.2   廢舊鋰離子電池的回收方案及改進(jìn)思考

為了適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要，鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中一般可被加工成多種形狀，如圖6所示[16]，比如柱形、扣形、棱柱形、帶形等[23-25]。不同形狀鋰離子電池的主要結(jié)構(gòu)大致相同，包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼5個(gè)基本要素，圖6（e）展示了柱形鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。

廢舊鋰離子電池的回收流程可以大致分為電池預(yù)處理、金屬富集提取和產(chǎn)品制備三個(gè)環(huán)節(jié)。預(yù)處理步驟包括放電與后續(xù)的破碎分選等，為后續(xù)對(duì)電池材料的有效回收處理奠定基礎(chǔ)。預(yù)處理的放電（失活）過(guò)程主要采用鹽漬法、電阻法和液氮低溫強(qiáng)制放電等方法[16−22]。鹽漬法是一種操作簡(jiǎn)單、放電穩(wěn)定的有效方法，通?？刹捎肗aCl等鈉鹽溶液進(jìn)行浸泡處理，但存在產(chǎn)生含F(xiàn)和P污染產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)；電阻法通過(guò)使電極短路放電，但有急劇放熱帶來(lái)的安全隱患；低溫強(qiáng)制放電通過(guò)低溫冷凍進(jìn)行放電失活，但工業(yè)成本較高。相比之下，用鹽漬法預(yù)處理電池的方案成本更低、操作過(guò)程更安全且放電穩(wěn)定?？梢钥紤]在其后續(xù)接入有效處理F、P等污染性產(chǎn)物的裝置設(shè)備，經(jīng)過(guò)環(huán)境無(wú)害化處理后再行排放。值得注意的是，鋰離子電池電解液中最重要的成分為六氟磷酸鋰，其具有適中的解離常數(shù)、離子遷移數(shù)和較高的抗氧化能力，是目前最主要的電解質(zhì)鋰鹽。有效富集鹽漬法產(chǎn)物中的F、P等元素可以為六氟磷酸鋰的制備在一定程度上補(bǔ)充原料。

利用火法-濕法聯(lián)用等技術(shù)回收正極材料的研究已有一定積累，相比之下，電解液中可回收利用物質(zhì)的回收技術(shù)仍不夠成熟，如果技術(shù)進(jìn)步能實(shí)現(xiàn)從電解液中的較充分回收，對(duì)節(jié)能減排將均有益處。目前電解液的回收利用大致呈現(xiàn)出兩種思路[16]，一是依流程逐步分離出可回收利用的較高純度物質(zhì)，二是對(duì)現(xiàn)有電解液進(jìn)行綜合處理以得到可用于電池循環(huán)的新電解液。對(duì)于第一種思路，張鎖江院士等發(fā)明的電解液全回收方法中電解液經(jīng)超聲溶劑提取分離，再經(jīng)減壓蒸餾回收提取劑，之后經(jīng)過(guò)水處理等過(guò)程得到鋰鹽沉淀，加入碳酸鈉最終形成碳酸鋰產(chǎn)物，過(guò)程中各組分回收率在90%以上[16]。參考此思路，可以結(jié)合鈦酸鋰、鈷酸鋰和碳酸鋰在水中的溶解性特點(diǎn)，在采用類似步驟得到鋰鹽沉淀后加入鈦酸鹽或鈷酸鹽，來(lái)制備生產(chǎn)鋰離子電池電極材料所需的原料。

3.3   熱核反應(yīng)中微量氚的回收

在20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了關(guān)于含氚固體廢料中氚的回收方法的介紹，但主要聚焦于貯氫材料等物質(zhì)中的氚回收[17]。而在ITER項(xiàng)目中，由于包層連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，加上磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)帶來(lái)的影響，提氚系統(tǒng)底部的鋰鉛合金中也會(huì)有微量氚滲入[17]，對(duì)這部分氚的回收處理也很重要。目前已有的技術(shù)中，利用氦吹洗氣和氫氘混合氣作為交換載帶氣，進(jìn)而通過(guò)同位素效應(yīng)對(duì)其中的微量氚進(jìn)行回收。

4.   結(jié)束語(yǔ)

全球石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)非可再生能源被逐日消耗，人類自工業(yè)革命至今用于生產(chǎn)生活的能耗帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也凸顯出來(lái)，引起了全球性的廣泛關(guān)注，這也使得節(jié)能減排的觀念日益深入人心。我國(guó)通過(guò)各項(xiàng)政策調(diào)整來(lái)推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，大力推動(dòng)發(fā)展新能源，減少化石燃料的消耗。作為21世紀(jì)的能源金屬，鋰在儲(chǔ)能、產(chǎn)能和節(jié)能等諸多領(lǐng)域的重要應(yīng)用無(wú)疑凸顯了鋰在能源領(lǐng)域的重要地位和意義。鋰相關(guān)的科學(xué)理論與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展對(duì)于發(fā)展新型能源、節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境意義重大。全球范圍內(nèi)的鋰工業(yè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展中已陸續(xù)完成了一些先進(jìn)技術(shù)的重要突破，使人們看到了應(yīng)用鋰的更多嶄新可能性，但在某些方面仍存在提升的空間和開拓的必要性。

文章來(lái)源——金屬世界