鋰在新興領(lǐng)域的應(yīng)用

張江峰 崔妍｜文

2000年后，鋰在電池能源、航空航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域的用量越來越大，尤其是電池行業(yè)已成為鋰最大的消費領(lǐng)域。本文主要從鋰電池材料、鋁鋰/鎂鋰合金材料、有機鋰化合物等幾個方面介紹鋰在這些新興領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

鋰是自然界中最輕的金屬，也是一種重要的戰(zhàn)略資源。鋰在玻璃陶瓷、石油化工、冶金、紡織、合成橡膠、潤滑材料等傳統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2000年后，鋰在電池能源、航空航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域的用量越來越大，尤其是電池行業(yè)已成為鋰最大的消費領(lǐng)域，因此鋰也被稱為“21 世紀的能源金屬”。本文主要從鋰電池材料、鋁鋰/鎂鋰合金材料、有機鋰化合物等幾個方面介紹鋰在這些新興領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

鋰在電池材料中的應(yīng)用

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎頒給美國科學(xué)家約翰·B.古迪納夫、英國科學(xué)家M.斯坦利·威廷漢和日本科學(xué)家吉野彰，以表彰他們“開發(fā)鋰離子電池”的貢獻。

應(yīng)該說鋰電池的發(fā)明是現(xiàn)代人類的一個重要發(fā)明，體積更小、容積更大、使用方式更穩(wěn)定，從而實現(xiàn)了商業(yè)化，同時開啟了電子設(shè)備便攜化進程。鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域包括了移動通信電源、交通動力電源、電力儲能電源、航天軍工電源。

1.鋰在傳統(tǒng)鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用

鋰是鋰離子電池中不可或缺的關(guān)鍵元素，鋰離子電池的充放電靠鋰離子的遷移來實現(xiàn)，鋰元素可以存在于電池的正極、負極以及電解液中。碳酸鋰、氫氧化鋰等鋰鹽通過深加工變成電池的正極材料、負極材料或者電解質(zhì)材料。正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，其性能將很大程度影響鋰離子電池的性能，已經(jīng)成熟應(yīng)用的鋰離子正極材料主要有鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、富鋰錳基等多種類型。其中，鈷酸鋰主要用于3C 類鋰離子電池中，鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰在動力電池中的應(yīng)用較多。鋰和低電位過渡金屬鈦的復(fù)合氧化物生成的鈦酸鋰可以用作鋰電池的負極材料。六氟磷酸鋰作為鋰離子電池電解質(zhì)，主要用于鋰離子動力電池、鋰離子儲能電池及其他日用電池，同時是近中期不可替代的鋰離子電池電解質(zhì)。

2.鋰在新型鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用

金屬鋰不僅可以用于鋰一次電池，將來還可用于固態(tài)金屬鋰電池中。在固態(tài)金屬鋰電池中，除金屬鋰充當(dāng)負極外，固態(tài)電解質(zhì)中也用到大量的鋰鹽，比如硫化物固態(tài)電解質(zhì)，如Li10GeP2S12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3等；氧 化 物電解質(zhì)Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)、Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(LAGP)等。

其他新型電池中，鋰硫電池因具有遠高于傳統(tǒng)鋰離子電池的理論比容量和質(zhì)量能量密度，而受到人們的廣泛關(guān)注，近年來一直是高能鋰金屬電池領(lǐng)域的研究熱點之一。另外，鋰-空氣電池相較于眾多電池系統(tǒng)，具有最高的理論比能量(～3500Wh·kg-1)，被認為有潛力成為最終的能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置。隨著科技的發(fā)展，鋰在電池領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛。

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對鋰的需求會越來越大，多家機構(gòu)測算，2025年，全球鋰的需求會超過100 萬噸碳酸鋰當(dāng)量。

鋰在鋁鋰/鎂鋰合金中的應(yīng)用

1.鋁鋰合金的應(yīng)用

由于鋰的比重小，在鋁中的溶解度高，把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍可保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。對于航天飛行器結(jié)構(gòu)，質(zhì)量的減輕可增加有效載荷，而有效載荷每增加1 千克可帶來巨大的經(jīng)濟效益。因為這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。正是由于這種合金的許多優(yōu)點，吸引著許多科學(xué)家對它進行研究，鋁鋰合金的開發(fā)事業(yè)猶如雨后春筍般迅速發(fā)展起來。

鋁鋰合金主要為飛機和航空航天設(shè)備的減重而研制的，因此也主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。還可應(yīng)用于軍械和核反應(yīng)堆用材、坦克穿甲彈、魚雷和其他兵器結(jié)構(gòu)件方面，此外在汽車、機器人等領(lǐng)域也有充分運用。

鋁鋰合金已經(jīng)在軍用飛機、民用客機和直升機上使用或試用，主要用于機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等。

2.鎂鋰合金的應(yīng)用

鎂鋰合金是世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展性，在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著當(dāng)今世界對結(jié)構(gòu)材料輕量化、減重節(jié)能、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展的要求日益提高，鎂鋰合金在需要輕量化結(jié)構(gòu)材料的交通、電子、醫(yī)療產(chǎn)品等領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

鎂鋰合金的密度僅為1.35～1.65g/cm3，比鋁合金輕1/3 ～1/2，甚至比普通鎂合金還輕 1/4 ～1/3，因此被稱為超輕合金。此外，鎂鋰合金還具有較高的比剛度和比強度，良好的低溫韌性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和延展性， 優(yōu)良的抗震性能以及具有較高的抗高能粒子穿透能力等系列優(yōu)點，因此，其在航空航天、國防軍工等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。其中，由于航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)材料輕量化的需求更為突出，因此，超輕鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景也更加廣闊。而用焊接工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以鉚接等機械連接的工藝，可以進一步減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)剛度、節(jié)約能源和節(jié)省裝配時間。因此，焊接技術(shù)的發(fā)展無疑對鎂鋰合金的推廣，尤其是在航天領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生深遠的影響。

鋰在有機化合物中的應(yīng)用

金屬鋰作為極為活潑的堿金屬，所對應(yīng)的有機鋰化合物具有易制備和能溶于惰性溶劑中等特點。丁基鋰作為最重要的有機鋰化合物，正丁基鋰是一種前景廣闊的新型產(chǎn)品，是很好的陰離子聚合引發(fā)劑和新型化學(xué)物質(zhì)合成的烴化劑，被廣泛應(yīng)用到合成橡膠、醫(yī)藥新型抗菌藥、艾滋病藥、香精合成、液晶材料等領(lǐng)域。石化工業(yè)上主要用于生產(chǎn)熱塑性彈性體SBS、SIS、SEBS、低順式聚丁二烯橡膠LCBR、溶聚丁苯橡膠SSBR、K-樹脂等產(chǎn)品。隨著橡膠行業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展，正丁基鋰在國內(nèi)外的需求不斷增長，目前全球商業(yè)化正丁基鋰市場達到數(shù)千噸。隨著新醫(yī)藥、合成橡膠行業(yè)的發(fā)展，正丁基鋰市場將會迎來較大的發(fā)展。

鋰在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

鋰離子是自然界中鋰的普遍存在形式，在人體內(nèi)也微量存在。近年來，鋰鹽在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。臨床上應(yīng)用的鋰鹽主要是碳酸鋰，可用于治療雙相障礙、阿爾茲海默癥及甲狀腺癌等疾病。越來越多的證據(jù)表明，鋰鹽在骨科相關(guān)領(lǐng)域可能具有更為廣泛的潛在應(yīng)用價值。

1.鋰鹽可治療骨質(zhì)疏松癥

研究發(fā)現(xiàn)，鋰鹽可增加患者的平均骨密度，有助于治療骨質(zhì)疏松或促進骨折愈合。在一項研究對75 例因精神問題需長期口服治療劑量鋰鹽（0.6 ～1.2mmol/L）的患者隨訪至少1年后發(fā)現(xiàn)，鋰鹽組的血鈣量、尿鈣量和甲狀旁腺素水平基本與對照組無差異，但平均骨密度更高。另一項研究則證實，將鋰鹽與磷酸鈣骨水泥結(jié)合后植入骨質(zhì)疏松大鼠的股骨缺損處，既可促進骨缺損的修復(fù)，也可增加局部范圍的骨量。也有其他研究發(fā)現(xiàn)，將鋰鹽與電紡膜或生物玻璃水凝膠等生物材料結(jié)合使用，可促進成骨細胞分化和體內(nèi)新骨形成。

2.鋰鹽具有治療骨關(guān)節(jié)炎的作用

多項研究已證實，鋰鹽對關(guān)節(jié)炎具有治療作用。通過手術(shù)建立小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型并連續(xù)8周向關(guān)節(jié)腔注射含氯化鋰（LiCl）的磷酸鹽緩沖液后發(fā)現(xiàn)，與單純注射磷酸鹽緩沖液組相比，含鋰鹽組關(guān)節(jié)軟骨破壞的進展較慢且程度較輕。將LiCl 涂布于3D 打印的軟骨支架上，也可有效促進兔骨髓間充質(zhì)干細胞的體外軟骨形成。鋰鹽可通過保護軟骨細胞和抑制微環(huán)境炎癥發(fā)揮治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

3.鋰鹽可促進骨血管再生

近來有研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子在體外可刺激具有促血管生成活性的生長因子的分泌，參與體內(nèi)的血管生成并促進腦缺血和心肌缺血后的血管重塑。有研究表明，通過將鋰鹽以微弧氧化法涂層于鎂合金制備的骨科材料，不僅成骨效果良好，成血管效果也較好。

4.鋰鹽的抗炎作用

鋰鹽不僅能在骨關(guān)節(jié)炎模型中減輕炎癥、保護軟骨，而且可以在脊髓損傷或炎癥性骨病等其他炎癥微環(huán)境中發(fā)揮作用。有研究將鋰鹽與聚己內(nèi)酯材料打印成支架并觀察巨噬細胞在支架上的變化后發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞的免疫調(diào)節(jié)基因表達上調(diào)，而促炎基因表達減少，說明鋰鹽對巨噬細胞極化有影響。

結(jié)論

自從索尼公司在1991年制作出世界上第一款商用鋰電池后，鋰離子電池徹底改變了我們的生活，鋰離子電池被廣泛地應(yīng)用于我們生活的各個領(lǐng)域，鋰被稱為21 世紀的能源金屬。隨著科技的發(fā)展，鋰在未來幾十年將發(fā)揮更大的作用，尤其是科學(xué)家們對新型電池體系，諸如全固態(tài)鋰金屬電池、鋰硫電池以及鋰空氣電池的研究，伴隨著全球可持續(xù)綠色發(fā)展的大環(huán)境，鋰必將更深層次地改變我們的生活方式。