锂元素是元素周期表中最轻的金属,是清洁能源
2019-05-13 栏目:行业新闻 查看()
原标题:锂元素是元素周期表中最轻的金属,是清洁能源

锂的未来充满活力。对很多人来说,用锂电池而不是化石燃料驱动的汽车和卡车是交通的未来。可再充电锂电池对于储存太阳能和风能产生的能源也是至关重要的,清洁能源是一个担心全球气候瞬息万变的世界的希望灯塔。

对新锂资源的勘探正在蓬勃发展由于人们对轻型可充电锂电池的需求 - 电动汽车,手机,笔记本电脑和可再生能源存储设备 - 的需求即将飙升。

即使在电动汽车之前,锂也是一种热门商品,由于与电池无关的原因而开采数十年。感谢锂的物理特性从各种各样的产品,从防震玻璃到药物,它都是非常有用的。根据总部位于法兰克福的德意志银行的分析,2018年,这些产品占全球锂需求的近一半。消费类电子产品(如手机或笔记本电脑)的电池占需求的25%左右。电动汽车占其余部分的大部分。

300

全球预计未来10至15年内锂需求增加 [一些预测显示,到2025年,锂电需求的一半将来自电动汽车行业。预计全球对金属的需求将至少增长300%未来10到15年,很大程度上是因为预计电动汽车的销量将大幅增加。目前,全球约有200万辆电动汽车;根据行业研究公司彭博新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)的数据,预计到2030年,这个数字将增长到超过2400万。电动汽车巨头特斯拉一直在全球范围内寻求锂电池,从美国,墨西哥,加拿大和澳大利亚的采矿业务中获取锂电供应。

因此,全球市场的锂电价格已经上涨在过去的几年里,在过山车上,由于担心可能没有足够的金属可供使用,2018年出现了大幅飙升。但地质学家李说,那些世界末日的情景可能有点过度美国内华达州里诺市的美国地质调查局局长.Linings占地壳的约0.002%,但从地质学角度来看,这并不是特别罕见,Stillings说。她补充说,关键在于知道它的集中程度足以经济地开采。

寻找和提取这种“白金”的追捕也刺激了新的基础地质,地球化学和水文研究CH。 Stillings和其他科学家正在研究粘土和盐水是如何形成的,当两个沉积物发生在同一个盆地时,锂如何在两个沉积物之间移动,以及锂原子如何倾向于将自己定位在粘土的化学结构中。

寻求更简单的来源

锂,其元素形式,柔软,银色和轻,密度约为水的一半。它是元素周期表中最轻的金属。该元素于1817年由瑞典化学家Johan August Arfwedson发现,他正在分析一种名为petalite的灰色矿物。 Arfwedson在矿物中发现了铝,硅和氧,它们共占矿物质质量的96%。

他认为其余的花岗岩是由某种元素构成的。具有类似于钾和钠的化学性质。所有三种元素都与其它带电粒子或离子高度反应形成盐,在室温下是固体但柔软的,具有低熔点并且易于在水中溶解。由于它们的相似性,这些元素,以及铷,铯和fran,后来被归为“碱金属”,形成了元素周期表第1组的大部分(

SN:1/19/19,第18页[ 123])。锂对水的亲和力有助于解释它如何在地壳中移动以及它如何变得足够集中到矿井。

任何一种富锂矿床的基本配方包括火山岩加上大量的水和热,活跃构造混合良好。全球有三种主要的锂来源:pegmatites,brines and clays。

大多数伟晶岩是由熔融岩浆形成的一种花岗岩。伟晶岩有趣的是它们往往含有许多不相容的元素,这些元素尽可能地抵抗形成固体晶体。岩石形成的岩石形成为火山下的岩浆非常缓慢地冷却。岩浆的化学成分随着时间的推移而演变。随着元素从液体中脱落形成固体晶体,其他元素(如锂)倾向于在液体中徘徊,变得越来越浓。但最终,即使是那个岩浆冷却并结晶,并且不相容性也被锁定在伟晶岩中。在20世纪90年代之前,美国的伟晶岩是开采锂的主要来源。但提取锂矿石,初级一种名为锂辉石的矿物质,来自岩石是昂贵的。除了实际开采的成本之外,岩石必须被压碎并用酸和热处理以商业上有用的形式提取锂。

在20世纪90年代,更便宜的锂来源成为一种选择。就在横跨大片智利的干旱盐滩下方,阿根廷和玻利维亚流通含盐的富含锂的地下水。矿工将咸水泵入地表,将其隔离到池塘中,让它在阳光下蒸发。 “自然母亲完成大部分工作,所以它非常便宜,”Stillings说。

蒸发后留下的是一种淡黄色盐水。以商业上有用的形式提取电池级锂,特别是碳酸锂和氢氧化锂矿工在盐水中添加不同的矿物质,如碳酸钠和氢氧化钙。与这些矿物质的反应导致不同类型的盐沉淀出溶液,最终产生锂矿物质。

与伟晶岩提取相比,从盐水中提取锂的过程非常便宜;因此,盐水开采目前主导锂市场。但在寻找更多锂的时候,下一代探矿者正在寻找第三种类型的矿床:粘土。

粘土是古代泥浆的硬化残余物,由沉积物中的微小颗粒沉积而产生,如内部一张湖床。要获得富含锂的粘土,需要正确的起始成分,特别是含锂的岩石,如pegmat迭代和循环地下水。地下水从岩石中浸出锂并将其运输到湖泊中,在那里它集中在沉积物中。事实证明,美国西部拥有制造富锂粘土的所有正确成分。事实上,在2017年

自然通讯

中,研究人员提出,一些古老的超级火山陨石坑,如黄石火山口,成为湖泊,将是锂的优质来源。

北美洲下面是一个浅水池,供给黄石超级火山。在过去的200万年左右,黄石火山活动一直位于怀俄明州西北部(并且是黄石国家公园的核心)。但黄石热点不是静止的。过去1600万多年来,随着北美板块缓慢向西南方向滑动,它已经移动到静止的浅层岩浆体上,留下了从内华达到黄石的火山口陨石坑。已知最古老的黄石陨石坑之一,称为McDermitt Caldera,充满水,然后干涸,留下了潜藏的富含锂的粘土宝库。位于温哥华的Lithium Americas Corp.计划于2022年在火山口内的一个名为Thacker Pass的地点开始采矿业务,估计到2025年,湖床可以提供世界上25%的锂。 [在美国,Stillings说,McDermitt是“我们知道存在的非常大的资源之一。”但是锂电池在竞争之前有一些障碍要清除用盐水。回收锂矿石需要露天开采,这比抽取盐水更昂贵。加工粘土以提取碳酸锂或其他适合工业的矿物质也是昂贵的。 Lithium Americas和其他声称已开发出清洁,廉价提取工艺的公司尚未证明它们与盐水开采具有竞争力。

白金

世界大部分锂来源(橙色)是澳大利亚和中国的伟晶岩矿以及智利和阿根廷的盐水矿。但计划中的采矿企业(蓝色)意味着锂电池将很快扩散到美国,加拿大和墨西哥。

世界各地已知锂的来源

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资料来源:USGS

Stillings表示,其他几种类型的锂提取可能即将出现。富含锂的盐水也可以在构造活跃的地热区域形成,其中地下有大量的热量。地热发电厂已经将过热水泵入以产生能量,然后将其注入地下。一些设施正在试验从盐水中提取其他有商业价值的元素,包括锂,锰和锌。水力压裂或压裂还涉及从地下泵送盐水,其可能含有高水平的溶解金属,可能包括锂。虽然锂可能不会以非常高的浓度存在,但如果它是副产品,则提取仍然在经济上是值得的。已经开始采矿。

振兴研究

2017年12月,白宫发布了一项行政命令,指示美国内政部加强对新研究的研究。某些“关键矿物”的来源,包括含锂的矿石。该命令援引经济和国家安全,指示政府科学家分析矿产供应链中的每个环节,从勘探到采矿再到生产,希望能在美国境内找到新的资源。 联合国各国并不是唯一一个急于寻找锂的国家。中国,欧盟和其他国家正在寻找新的资源。今年1月,一个由欧盟研究人员组成的财团发起了一项为期两年的倡议,称为欧洲锂电研究所(European Lithium Institute)锂电池市场。

为了开启锂研究的新阶段,Stillings去年12月在华盛顿特区举行的美国地球物理联盟年会上召开了一次研讨会。 “我们想了解锂如何在地壳中循环,”Stillings说。 “锂非常易溶;它喜欢在解决方案中。然而,我们已经了解到,当它穿过地壳时,它确实与粘土相互作用。“

多用途元素

锂电池比电池更有用。以下是一些常见产品及其含有的锂化合物。

双相情感障碍的情绪稳定剂

:自19世纪中期以来,锂已被用作治疗从痛风到精神障碍的药物世纪。以碳酸锂或l自20世纪70年代以来,锂被广泛用于治疗急性躁狂,这是双相情感障碍的一个方面。

然而,科学家们仍然不确定为什么治疗有效。由于它们较小的尺寸,锂的带电粒子或离子可以代替大脑中某些酶和化学物质中的钾离子,钠离子或钙离子。取代锂可能会降低某些受体的敏感性,使它们不太可能与大脑中的化学物质如去甲肾上腺素相连,而去甲肾上腺素在躁狂症期间被认为是过量的。

化妆品

:硬脂酸锂作为乳化剂,防止油脂和液体分离在粉底,面粉,眼影和口红中。当添加到面霜中时,一种称为hec的柔软,油腻,含锂的矿物质torite使产品保持光滑和可涂抹。

军事,工业,汽车,飞机和船舶应用:当添加到石油中时,硬脂酸锂会产生厚润滑脂,防水且耐高温

耐冲击炊具和铝箔:与其他碱金属相比,锂原子很小,特别是在充电状态下。随着锂离子变热,锂离子膨胀相对较少,因此在玻璃或陶瓷中添加一些碳酸锂可以使这些产品更强,并且在热时不太可能破碎。

锂同位素 - 它有两个,锂-6和锂7 - 是跟踪这种交换的一种方法。 “它们就像指纹一样,”Frenc的地质学家Romain Millot说h地质调查和法国奥尔良大学。两种同位素的不同质量影响它们在水和固体岩石之间的移动方式:与锂-7相比,锂-6更喜欢离开水并与粘土颗粒结合。 Millot表示,同位素在揭示风化,水流和热量对锂浓缩的影响方面也很有用。 由于水对于锂的浓缩非常重要,研究人员正在摆脱经典的“找矿石” “框架,位于盐湖城的USGS地质学家Scott Hynek说。相反,“我们采取更像石油的观点,”他说。科学家不仅追踪沉积物的位置,而且还追踪它们如何移动:水流动的地方,富含锂的流体可能被困在哪里在一层坚硬,不透水的岩石下面。

锂勘探也从水文剧本中汲取了一页,利用该贸易的一些经典工具来追踪地下水通过地下水的循环,以消除富含锂的地方存款可能会结束。氢,氧和氦的同位素用于跟踪地下水穿过地下的时间以及水与之接触的岩石类型。

例如,断层可以通道地下水,因此可能在塑造锂沉积可能形成的地方发挥重要作用。 “这是一个尚未解决的问题,”海内克说。 “这些都是高锂水流量的大规模地质控制措施。”他在AGU研讨会上提供的数据表明,最高的是智利盐滩中的ith浓度称为Salar de Atacama,发生在某些断层线附近。他说,这表明这些断层有助于引导地下水,从而集中沉积物。

不伤害

锂矿开采的一个迫在眉睫的问题是“干净”的能量并不完全清洁。从其矿石中提取锂并将其转化为商业上可用的形式如碳酸锂或氢氧化锂会产生有毒废物,其可能泄漏到环境中。自2009年以来,中国青藏高原锂矿的化学泄漏一再对环境造成严重破坏,杀死了附近河流中的鱼和牲畜。 即使大自然母亲正在做大部分工作,例如蒸发定量池,可能会对环境产生负面影响。例如,在南美洲,问题是供水问题。锂三角形包括Salar de Atacama,是地球上最干燥的地方之一 - 采矿消耗大量的水。这产生了一系列令人担忧的事件。就在Salar de Atacama盐滩的边缘是一个火烈鸟筑巢的栖息地:咸水泻湖充满了盐水虾。 “这次采矿活动的一个主要反对意见是它对火烈鸟种群的潜在影响,”海内克说。安第斯山脉中为地下锂盐水库供水的同一水源也最终填满了泻湖。

事实上,该地区的一些地方的地下水位已经下降了Hynek说,天才社区以及智利和阿根廷当局都处于高度戒备状态。 “智利当局担心[矿工]会抽水太多,以至于泻湖水位也会下降。”2月,智利宣布对在撒拉尔德阿塔卡马经营的矿工的水权进行新的限制。

如此严重的环境问题可能会阻碍该地区未来的采矿前景。 “你正在和你所在的同一地区制作盐水为这些重要的生物多样性栖息地染色,“马萨诸塞大学阿默斯特分校的水文学家David Boutt说。

迄今为止,关于水在干旱地区如何在非常低的降水率下流动的研究很少,例如南美的锂三角,Boutt补充道。 “关于水的来源,存在很多问题,”例如水流量通过地面变化的程度。 “这些系统可能需要很长时间才能对地下水抽水等扰动作出反应。

现在可能几十年内都无法感受到退出咸水的影响。 “一个担忧,”布特说,“我们是否会在事情发生之前100年等待。”

这篇文章出现在马云2019年发行

科学新闻
,标题为“寻找锂:元素周期表中最轻的金属是清洁能源未来的关键。”

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