21世纪能源金属-锂的应用领域与前景研究.docx

? ? 21世纪能源金属 锂的应用领域与前景研究 ? ? 供稿|郑奕伯 内容导读 能源是人类文明发展进步的基石和先决条件，是国家经济、社会发展的物质基础。当今，随着人口的增加、生活水平的提高以及生产技术的进步，经济和社会的发展对能源的需求日益增多，能源供应显得日益紧张。发展可再生能源和节能减排成为国家大力推进的举措。锂——元素周期表中的第3 号元素，是自然界中存在的最轻的金属元素，锂轻质的特性使得锂镁合金这种耐热、导电和抗冲击等性能良好的高强度轻质金属得以出现。但不同于铁、铜、铝等其他可用作材料领域的重要金属——锂在能源方面也发挥着多重作用，享有“21 世纪能源金属”的美誉，在能源相关问题解决和技术进步方面有着广阔的开发前景，因此锂在能源领域的技术发展与应用受到广泛关注。本文主要总结了锂在储能、产能和节能领域中的重要作用，归纳了应用锂的过程中存在的问题和现有的各种解决方案，同时思考了其他方案的可能性、可行性与意义。文章提供了锂在能源领域应用方向和内容的大致脉络，并引出了发展中现存的问题和相应技术今后的发展方向。 锂作为化学元素周期表中的第3 号元素，是当前发现的最轻的金属元素，室温下金属锂的密度为0.534 g/cm3，只有水的一半左右，因而可以浮在石蜡表面(图1)。含锂矿主要以锂辉石、锂云母等矿石形式存在，在地壳中质量分数约为0.0065%。锂被发现的时间晚于钾和钠，且较长时间内制备锂单质的技术成本高昂，因而从发现锂元素到可以工业制备锂单质间隔了数十年[1]。起初，锂的工业应用范围较窄，仅有部分锂的化合物应用在如玻璃陶瓷等少数工业生产领域。近年来，随着锂电池的大量应用和飞速发展以及锂在核电站中的作用被发掘，金属锂有了“21 世纪能源金属”的美誉，在生产生活中的应用也越来越广泛。 锂的主要应用领域 作为21 世纪的重要能源金属，锂在储能、产能和节能等诸多领域都有着广泛且影响深远的应用。例如：在储能领域，20 世纪以来锂电池储能技术不断革新，锂电池的容量密度变得更大，循环寿命变得更长，使用时的安全可靠性变得更高，金属锂在电池领域的发展潜力得以被快速激发。在产能领域，自20 世纪人类开始氢弹研究以来，作为能源金属的锂金属就在核聚变反应中发挥着不可或缺的作用。通过中子轰击63Li来产生氚进而和氘实现核聚变反应；氟化锂被用作核反应堆的堆芯。在节能领域，在陶瓷工业中，向陶瓷原料中加入少量锂辉石可以降低烧成温度，实现节能减排。 锂在储能领域的应用 锂电池发展概况 锂电池种类丰富各具特色，科研工作者对电池优异性能的孜孜追求，推动着锂电池行业工艺技术持续革新。自1912 年Gilbert N. Lewis 提出了锂电池相关理论至今，锂电池的发展历经了锂一次电池(锂原电池)和锂二次电池(锂可充电电池)不同种类的多个研究阶段。20 世纪70 年代，经过一定发展的锂原电池由军事应用拓展为民用。为了保护环境减少电池废料的产生，锂二次电池的研究也开始得到关注[2]。锂二次电池研究起步阶段，科学家们聚焦研究的主要是金属锂直接作为电池负极的锂二次电池。20 世纪80 年代，在锂二次电池的开发和应用过程中，研究人员发现锂枝晶等问题会导致电池充电过程完成度和效率降低；与此同时，发现电极和电解质溶液间接触的界面是影响电池工作性能的关键因素[2]。这些发现使得研究人员对原先的锂二次电池提出了改进方案：用其他含锂化合物代替金属锂作为电池负极；用凝胶或固体电解液代替原有液态电解液。这两种改进方案均被证实是有效的方案，并且分别促成了对锂离子电池和锂聚合物电池的开发和研究。又经过了二三十年的发展，锂离子电池逐步形成了多个颇具竞争力的电池品种，且未来仍有科技突破及创新的空间。在当前储能领域被投入密切关注的情况下，锂离子电池被赋予巨大希望和期盼。 锂离子电池主要品种及性能 不同于常规的可充电化学电池，锂离子电池在充放电过程中存在Li+在正负(阴阳)两极之间的电化学嵌入和脱嵌反应，进而使得Li+可在两极间来回移动(图2)。这个特性使锂离子电池又被形象地称为“摇椅式电池”。锂离子电池的循环寿命比铅酸电池等可充电化学电池有显著提高。同时，由于锂离子来回移动的过程未破坏电极晶格结构，电池反应可逆性得以改善，而当外加大充电电流时锂离子在两极中的快速移动可以更好地实现快速充电[2]。应用于兆瓦级储能领域的锂离子电池主要有三种：磷酸铁锂离子电池、钛酸锂离子电池和三元锂离子电池。 磷酸铁锂离子电池的正极材料磷酸铁锂价格低廉来源广泛，且工作电压大，能量密度大，热稳定性好，高温性能好，热峰值可达350～500 °C，工作温度范围广。磷酸铁锂离子电池多用于大规模电能储存，产业链发展较为完善[3]。但是，在制备烧结磷酸铁锂过程中氧化铁可能会被还原性气氛还原成铁单质，进而造成电池的微短路。