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重要矿产资源调查计划——锂的发现和应用:200年大事记

编著:天津地质调查中心 李效广 李志丹    

锂元素从发现之年起,距今200年整。200年中,锂的发现与应用,经历了许多里程碑式事件。

1817年,瑞典化学家阿尔费特逊(Johan AugustArfwedson)在其老师贝齐里乌斯(Jöns Jakob Berzelius)的实验室分析一种矿石时,发现该元素的存在,老师贝齐里乌斯(Jöns Jakob Berzelius)将 其定名为“lithium”。该词源于希腊文lithos,意思是“石头”,用以表示该元素从石头中发现,以有别于与之性质相近的、分别从血液和草木灰中发现的钠和钾元素。汉语据其首字节的发音,将其翻译为“锂”。


锂元素发现者阿尔费特逊肖像(1792 - 1841)

1821年,汤姆斯布兰德(WilliamThomas Brande)成功从氧化锂电解提取出锂。

1855年,德国化学家本森(Robert Bunsen)和英国化学家马奇森(AugustusMatthiessen)经由电解氯化锂生产出大量而可使用的锂。

1869年,俄国科学家门捷列夫(Дми́трий Ива́нович Менделе́ев)将锂正确地定位于元素周期表位置中碱金属首位,与钠相邻。

锂在元素周期表中位置图示(黑框所围者)

1923年。德国金属公司(Metallgesellschaft AG), 采用电解氯化锂和氯化钾的混合液工艺而生产,从此,锂实现商业化生产。

思考中的门捷列夫(苏联1969年发行的门捷列夫邮票,网络图)

1940年,第二次世界大战期间,锂基润滑脂应用于的航空发动机中,是第一个大规模的商业应用锂化合物。锂也是重要的氢气源,美国飞行员备有轻便的氢气源——氢化锂丸作应急之用。

锂基润滑脂

氢化锂晶体三维结构示意图,灰色为锂,紫色为氢。

1948年,澳大利亚的精神病专家凯德(John Cade),用锂治疗心理障碍,锂正式进入精神科的临床应用,成为治疗精神疾病的第一种有效药物。

碳酸锂的三维结构,紫色:锂,红色:氧,灰色:碳

1950-1960年,冷战时期,首次对锂的显著上升的需求期,锂主要应用于核聚变武器的生产。高浓缩度的锂6可以用于核武器的装料,是生产超重氢--氚的唯一工业原料。

核聚变炸弹图

1970年,锂用来作助熔剂,一用作降低玻璃的熔化温度,二用作提升氧化铝的熔化行为,一直到1990年中期,这两种用途都主导了锂的主要应用市场。

图中pm是长度单位,即皮米(picometer或pm)是长度单位,1pm相当于1m的一万亿分之一,即10-12米。

1970年,英国化学家威汀汉姆(M Stanley Whittingham)提出锂电池概念,以硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料。不过,成本昂贵且安全性不好。

硫化钛分子结构图示

1970年,慕尼黑技术大学教授柏森哈德(J. O. Besenhard)发现石墨和阴极氧化物嵌入的可逆性,提出可用于锂电池应用。

嵌入石墨中的阴极氧化物图示

1979年,在斯坦福大学教授高德绍尔(Ned A. Godshall),与牛津大学的古迪纳夫(J. Goodenough)和米祖矢玛[S2] (Koichi Mizushima),分别独立发明了钴酸锂作为正极锂金属为阴极的可充电锂电池。

钴酸锂分子结构图示

1985年,日本旭化成株式会社(Asahi Kasei)的吉野彰(Akira Yoshino)组装建了一个原型电池,使用碳材料,锂离子可插入其中作为电极,而空气中稳定的钴酸锂作为另一极。使用无金属锂的材料作为电池,安全性大大提高。钴酸锂可工业化规模生产,标志着锂离子电池的正式诞生。

1989年,曼思莱姆(A.Manthiram)和古迪纳夫(J.Goodenough)发现采用聚合阴离子的正极产生更高的电压。

1991年,索尼公司(SONY)和旭化成株式会社(Asahi Kasei)发布首个商用锂离子电池。

首个商用锂离子电池

 1996年,古迪纳夫(J.Goodenough)等提出磷酸锂铁(LiFePO4)和其他具有橄榄石结构的磷酸盐可作为正极材料,比传统的正极材料更具优越性。

磷酸锂铁分子结构图  

1997年,智利化学矿业公司(SQM)在阿塔卡玛盐湖卤水提锂方面率先实现技术突破,碳酸锂生产成本大大低于矿石提锂,推动了盐湖提锂发展。以锂辉石等硬岩型锂为原料的部分工厂,开始停产。低价格锂开始使锂行业受益。 

1998年,世界锂化工产量最多的生产国依次为智利、中国、俄罗斯、美国和阿根廷。澳大利亚和加拿大是主要的锂矿石生产国。美国是锂化合物产品的最大消费国。

2001年,陆中华(Zhonghua Lu)和杰夫达恩(Jeff Dahn)申请了氧化锂镍镁钴类为阳极材料的专利,比广泛使用的钴酸锂电池,提供更安全与更高能量密度。 

2007年,锂离子电池在数码产品及电动汽车中得到广泛使用,成为锂的主要用途。


锂离子电池应用于汽车 

2017,全球电动汽车预计年底全球销量首次超百万辆

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