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重要礦產資源調查計劃——鋰的發現和應用:200年大事記

編著:天津地質調查中心 李效廣 李志丹    

鋰元素從發現之年起,距今200年整。200年中,鋰的發現與應用,經歷了許多里程碑式事件。

1817年,瑞典化學家阿爾費特遜(Johan AugustArfwedson)在其老師貝齊里烏斯(J?ns Jakob Berzelius)的實驗室分析一種礦石時,發現該元素的存在,老師貝齊里烏斯(J?ns Jakob Berzelius)將 其定名為“lithium”。該詞源于希臘文lithos,意思是“石頭”,用以表示該元素從石頭中發現,以有別于與之性質相近的、分別從血液和草木灰中發現的鈉和鉀元素。漢語據其首字節的發音,將其翻譯為“鋰”。


鋰元素發現者阿爾費特遜肖像(1792 - 1841)

1821年,湯姆斯布蘭德(WilliamThomas Brande)成功從氧化鋰電解提取出鋰。

1855年,德國化學家本森(Robert Bunsen)和英國化學家馬奇森(AugustusMatthiessen)經由電解氯化鋰生產出大量而可使用的鋰。

1869年,俄國科學家門捷列夫(Дми?трий Ива?нович Менделе?ев)將鋰正確地定位于元素周期表位置中堿金屬首位,與鈉相鄰。

鋰在元素周期表中位置圖示(黑框所圍者)

1923年。德國金屬公司(Metallgesellschaft AG), 采用電解氯化鋰和氯化鉀的混合液工藝而生產,從此,鋰實現商業化生產。

思考中的門捷列夫(蘇聯1969年發行的門捷列夫郵票,網絡圖)

1940年,第二次世界大戰期間,鋰基潤滑脂應用于的航空發動機中,是第一個大規模的商業應用鋰化合物。鋰也是重要的氫氣源,美國飛行員備有輕便的氫氣源——氫化鋰丸作應急之用。

鋰基潤滑脂

氫化鋰晶體三維結構示意圖,灰色為鋰,紫色為氫。

1948年,澳大利亞的精神病專家凱德(John Cade),用鋰治療心理障礙,鋰正式進入精神科的臨床應用,成為治療精神疾病的第一種有效藥物。

碳酸鋰的三維結構,紫色:鋰,紅色:氧,灰色:碳

1950-1960年,冷戰時期,首次對鋰的顯著上升的需求期,鋰主要應用于核聚變武器的生產。高濃縮度的鋰6可以用于核武器的裝料,是生產超重氫--氚的唯一工業原料。

核聚變炸彈圖

1970年,鋰用來作助熔劑,一用作降低玻璃的熔化溫度,二用作提升氧化鋁的熔化行為,一直到1990年中期,這兩種用途都主導了鋰的主要應用市場。

圖中pm是長度單位,即皮米(picometer或pm)是長度單位,1pm相當于1m的一萬億分之一,即10-12米。

1970年,英國化學家威汀漢姆(M Stanley Whittingham)提出鋰電池概念,以硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料。不過,成本昂貴且安全性不好。

硫化鈦分子結構圖示

1970年,慕尼黑技術大學教授柏森哈德(J. O. Besenhard)發現石墨和陰極氧化物嵌入的可逆性,提出可用于鋰電池應用。

嵌入石墨中的陰極氧化物圖示

1979年,在斯坦福大學教授高德紹爾(Ned A. Godshall),與牛津大學的古迪納夫(J. Goodenough)和米祖矢瑪[S2] (Koichi Mizushima),分別獨立發明了鈷酸鋰作為正極鋰金屬為陰極的可充電鋰電池。

鈷酸鋰分子結構圖示

1985年,日本旭化成株式會社(Asahi Kasei)的吉野彰(Akira Yoshino)組裝建了一個原型電池,使用碳材料,鋰離子可插入其中作為電極,而空氣中穩定的鈷酸鋰作為另一極。使用無金屬鋰的材料作為電池,安全性大大提高。鈷酸鋰可工業化規模生產,標志著鋰離子電池的正式誕生。

1989年,曼思萊姆(A.Manthiram)和古迪納夫(J.Goodenough)發現采用聚合陰離子的正極產生更高的電壓。

1991年,索尼公司(SONY)和旭化成株式會社(Asahi Kasei)發布首個商用鋰離子電池。

首個商用鋰離子電池

 1996年,古迪納夫(J.Goodenough)等提出磷酸鋰鐵(LiFePO4)和其他具有橄欖石結構的磷酸鹽可作為正極材料,比傳統的正極材料更具優越性。

磷酸鋰鐵分子結構圖  

1997年,智利化學礦業公司(SQM)在阿塔卡瑪鹽湖鹵水提鋰方面率先實現技術突破,碳酸鋰生產成本大大低于礦石提鋰,推動了鹽湖提鋰發展。以鋰輝石等硬巖型鋰為原料的部分工廠,開始停產。低價格鋰開始使鋰行業受益。 

1998年,世界鋰化工產量最多的生產國依次為智利、中國、俄羅斯、美國和阿根廷。澳大利亞和加拿大是主要的鋰礦石生產國。美國是鋰化合物產品的最大消費國。

2001年,陸中華(Zhonghua Lu)和杰夫達恩(Jeff Dahn)申請了氧化鋰鎳鎂鈷類為陽極材料的專利,比廣泛使用的鈷酸鋰電池,提供更安全與更高能量密度。 

2007年,鋰離子電池在數碼產品及電動汽車中得到廣泛使用,成為鋰的主要用途。


鋰離子電池應用于汽車 

2017,全球電動汽車預計年底全球銷量首次超百萬輛

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