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锂,会被人类用光吗?

日期:2021-03-29    来源:哈尔鲍曼9000

国际新能源网

2021
03/29
11:14
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关键词: 锂电池 锂市场 锂产量

对能源的利用与文明程度息息相关,今天的人类文明发展与电磁能的利用或者说驾驭电磁力密不可分,而储能放能则是其中的重要一环,锂。。。。。因此被赋予了特殊的意义。

锂最早由瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森(Arfwedsons)在分析透锂长石时发现,锂原子核有3个质子,是自然状态下原子半径最小、质量最轻的碱金属元素,具有高反应性和高电离电势,所以天生就是做电池的料。

当然,锂的用途远不止如此,它还被广泛应用于玻璃陶瓷(作为助熔剂)、高温润滑脂、有机合成(帮助有机物聚合)、有色冶金(帮助清除杂质)、临床医药、空气处理(过氧化锂被用于潜艇等密闭环境与二氧化碳反应产生氧气)、航空航天(用于制造高性能合金)等各个行业和领域,另外,还有个很特殊的应用,在核聚变领域,这个我们留来文章最后再说。

基于上述应用,锂还有些别名:“工业味精”、“宇航合金”、“推动世界前进的金属”、“21世纪最有应用潜力的金属”,“白色石油”等。

但如今,锂在我们大众眼里,就是电池的代名词,对于锂能否被用完这个问题,在新能源车出现之前,不会是一个太大的问题。

但现在,情况变得不一样了。

锂从哪来,宇宙中有多少?

锂资源有多少?

锂在地壳中的含量为0.002%,主要以锂辉石、锂云母、锂蒙脱石、透锂长石等矿物形式存在,某些盐湖也是重要的锂来源,据美国地质调查局(USGS)截至2019年底的统计,全球已探明锂矿储量1400万-1700万吨左右(锂矿资源量8000万吨)。

锂矿分布区域高度集中,就储量而言,全球近91.09%的储量主要分布在智利、阿根廷、美国、津巴布韦、葡萄牙、澳大利亚、中国、加拿大和巴西等9个国家(9国锂矿资源储量总和为1548.5万吨)。其中:

智利锂矿储量排名世界第一,(如上图)约为860万吨,占全球储量的50.59%;

澳大利亚位列第二,约 为 280 万吨,占 全 球 储 量 的16.47%;

阿根廷排名第三,约为170万吨,占全球储量的10%;

中国排名第四,约为100万吨,占全球储量的5.88%;

美国约为3.71%;

就资源量而言,全 球58.75%的资源量集中分布于拉丁美洲的“锂三角”国家(玻利维亚、阿根廷与智利),美国、澳大利亚与中国的锂资源量分别占世界总量的8.5%、7.875%与5.625%。如上图,比较储量与资源量两组数据,美国、中国、玻利维亚和阿根廷的锂矿开发利用潜力较大。

(TIP:储量是指近期可开采的靠谱的,资源量只是个大概)

如果不考虑新能源车和新能源储能系统建设的锂用量,这个储量或总量是个不小的数字,足够人类使用很多年。

但是

锂电池汽车和锂储电系统将急剧加速锂的消耗

根据有关数据,锂电池和锂离子电池与其他为数不多的工业应用消耗了四分之三以上的锂产量,而电动汽车则极剧的加速了锂资源的消耗。

以特斯拉为例,1台70kWh的Model S电池组中约有63kg的锂,如上图,到2030年,电动汽车和锂储能系统每年将需要2700 GWh的锂离子电池,也就是说,大约每年消耗243万吨锂,按照全球锂8000万吨的总量,基于目前的锂资源将在2050年前全部消耗掉。

另一组数字可能更加惊人:2016年全球汽车约为13.2亿辆,包括小车、卡车和公共汽车,预期到2036年地球上将有28亿辆汽车,这还不包括工程机械,如果有1/3是电动汽车,则需要消耗200亿公斤以上的锂。

消耗掉的锂去哪了?

这个问题乍看起来显得有些多余,当然是被各种设备使用了,而且绝大部分的使用过程都是化学过程,你可能要说了,元素不灭,锂元素不会消失,从这个意义上讲,锂资源不存在被消耗的问题。

但,问题可能不是这样的,如果说,锂矿或锂盐中的锂是处于一种待开发、可利用的状态,那么,这些被用于电动汽车和储能系统中的锂,其实是处于了一种锁定状态,虽然,锂的集中度在用户那里提高了,但这部分锂绝大部分都处于“正在使用中”而无法进行新的利用,这。。。。。就是锂资源的消耗问题。

也正因如此,加之短期的供需关系的波动,锂在近几年的价格节节攀升。

如何应对?

1、首先是锂回收

相关技术研究在2010年以前开始于西方国家,一开始,锂回收的技术难度和成本都高于锂矿的一次开发。

目前,这项技术对于缓解锂资源紧张别抱有太大的期望,直到2018 年,我国动力电池报废量约为17. 5 万吨,而由工业和信息化部公布的第一批符合《汽车动力蓄电池行业规范条件》的 5 家企业 2018 年实际回收的废旧动力蓄电池仅约 0. 55 万吨。

废动力电池的资源化回收工艺复杂,流程长,能耗高,而且在资源化回收过程中会产生的较多的污染物,同时人们对废动力锂电池回收意识薄弱,所以目前“锂回收”还处于技术研究阶段和产业化的初期。

用一句俗话来说:锂还有的用,没逼到那个份上。

2、其次是海水提锂

从资源量来说,海水中2300亿吨锂足够人类用个世世代代了。科学家早在1964年就开始提出这一概念了。随着材料学的发展,出现了沉淀、吸附、萃取、电渗析等方法,但这些方法都有点得不偿失,比如沉淀法需要将海水浓缩1000倍,需要耗费大量的能量。

当然,相关研究仍在推进,现在研究的比较有前景的方法是在2018年以后出现的电化学提锂方法,如上图,通过施加电场,让一种特殊材料的固态电解质(SSE)将锂离子吸收并转移到有机电解液中,再让锂离子沉积在惰性阴极上。

太阳能加锂提取这个组合相当有意思,装置采用单元化,大量的装置组合漂浮在海水中将会是一道新的科技风景线,有论文讨论并实验了一种被称为石榴石的固态电解质,其提锂效率可达每小时每平方厘米198毫克。这个数值高的相当惊人,是目前吸附法的近一万倍。

其高效程度已经具备准商用能力,每提取 1 公斤金属锂将消耗将 1.5 至 2.7美元电能,而目前锂金属每公斤的价格在73-146美元,这意味着采用该装置一年后每平方米净收入为 1220-2500 美元。

总的说来,由于海水中有近乎无限的锂储量,其诱人的应用前景将会在不长的时间里催生海水提锂相关产业的发展并诞生一些新的科技企业。到那时,锂资源被用光这个问题可能一两百年以内不会是人类必须面对的问题了。

3、不用锂,换钠做电池

同样作为碱金属,钠的储量近乎无限,想想海水吧,所以能用钠替代锂当然是最好不过的了。

但目前钠离子电池也还在起步阶段,其能量密度还达不到锂的一半,且锂电池也在不断的进化,从元素周期表的排序来讲,锂对纳还处于一种天然压制的状态。

比较值得注意的是2017年成立的中科院海纳电池(公司),胡永生教授研制的可以达到120 Wh / kg的能量密度。2020年,中国科学院大连化学物理研究所研究的全固态钠离子电池能量密度达到了355 Wh / kg。

结语:虽然钠等替代元素电池在研究和发展,纳电池成熟以后,可能被用于储能系统等要求不太高的场景,但锂电池也在同步发展,锂电池的霸主地位目前来看是不可撼动的。在海水提锂前景明朗和大规模应用前 ,锂资源仍将处于一种紧张的供求关系上升期。

锂元素不灭?不不不!核聚变时代的锂将不停的消失

喜欢科幻片的小伙伴应该都看过高分美剧“浩瀚苍穹”,其中锂矿被设定了该片世界观中一种极其重要的星际资源,其实,这一设定是相当靠谱的,因为涉及到核聚变,锂确实是一种维持聚变反应的极其重要的材料。

目前人类阶段在研在建的核聚变装置中(比如国际热核聚变实验堆),主要和可行性较高的是氘氚聚变,这个氘问题不大,海水中也是有海量的,足够人类用上个上亿年,但这个氚可就不是那么回事了。

氚在自然界中极其微少,基本无,那么怎么办呢,没这东西不中啊。

这时候就得要锂出山了,利用中子与氘反应,生成氚和氦4,这个设备则被称为“氚增殖”模块,有了它,氚在核反应炉中就可以自给自足,聚变才能够长期稳定的运行。

注意到这里了吗,如果化学反应你可以说元素不灭,那么这种核反应将会彻底的消灭锂,这是真正意义上的让锂消失并转换成另一种物质,从资源消耗上来讲,这是彻底的从有到无。

核能对锂的消耗(消灭)目前相对来讲并不快。根据有关数据,每生产1万亿度电,将消灭100吨锂,按照2019年核能发电2.6万亿度电计算,如果全部采用聚变发电,将消耗掉260吨锂,基本上是个小数字了,不过这部分锂是真正的消失了。

未来这个消灭速度会加快吗?接着往下看!

如果将时间线拉长,未来必将到来的核聚变星际文明时代可能会加速这一过程!由于锂对氘氚反应的维持作用,目前在研的聚变火箭引擎有不少明确用到了锂,比如上图是太空动力研究公司(MSNW)的反场构形线性驱动压缩聚变推进器,就是利用磁惯性约束聚变推进的,其中重要的助燃和推进材料就是锂球。

这一阶段的人类文明,与可能的新能源车类似,大量的布满整个太阳系的核聚变推进飞船也将会成为锂的又一消耗大户。


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