氢氦锂铍硼!你的手机、电脑、甚至汽车里都有这个排在元素周期表第三位的叫做锂的金属,它是宇宙中最早形成的元素之一,在大爆炸后的几分钟内由氢原子聚变而成的。虽然它在大爆炸中合成,但锂在宇宙中的含量明显低于其他低原子序元素。

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虽然大爆炸核合成产生的锂量取决于每粒重子的光子数,但有可接受的值,所以可以计算锂丰度,而且宇宙中存在“宇宙学上的锂差异”:即老恒星的锂含量似乎比应有的少,而一些年轻的恒星则有更多。老恒星中缺锂显然是由于锂“混合”到恒星内部并被破坏,而锂则在年轻恒星中产生。虽然锂在高于摄氏240万度(大多数恒星内部容易达到)时会因和质子碰撞而转变为两粒氦原子,但锂含量仍比目前计算预测出在后代恒星中的要多。

天文学在棕矮星和某些异常的橙色恒星中也发现了锂。锂存在于较冷、质量较小的棕矮星中,但在较热的红矮星中被破坏,它在恒星光谱中的存在可用于“锂试验”,以区分皆比太阳小的棕矮星及红矮星。某些橙色恒星也可能含有高浓度的锂。那些有高于平均锂浓度的橙色恒星绕着大质量的物体(如中子星或黑洞)转,它们的重力明显将较重的锂吸引到氢氦星的表面,导致我们观测到更多的锂。

2015年2月19日,日本国立天文台研究团队从观察2013年海豚座新星发现,新星爆炸制成了大量锂元素,这意味着经典新星爆炸可能是宇宙制造锂元素的主要机制。

虽然锂在大爆炸初期就形成了,但是锂却是地球上最稀有的元素之一,它的含量只占地壳的0.0007%。锂是一种银白色的柔软金属,它是密度最小的金属元素,也是化学性质最活泼的金属元素之一。锂在电池、玻璃、陶瓷、润滑剂、原子能、航空航天等领域都有广泛的用途,被称为“白色石油”。

锂元素是在1817年被瑞典化学家约翰·阿尔菲德森从一种叫做“叶石”的岩石中发现并命名的。他用矿物学的方法分析了叶石的成分,发现了一种新的碱金属,但是他并未成功的制取金属锂。直到1855年,英国化学家威廉·托马斯·布兰登和爱尔兰化学家罗伯特·布朗·凯恩才通过电解氢氧化锂的方法,首次得到了金属锂。他们将锂的原子量测定为7,并将锂的化学符号定为Li。

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锂的英文名Lithium来源于希腊语“岩石”,而之前发现的钠和钾两种碱金属是从植物中提取出来的。这是因为锂在自然界中很难以单质的形式存在,它总是和其他元素结合在一起,形成各种化合物。锂是一种扔到火里会出现浓烈的深红色火焰的金属,这也是它被发现的一个重要线索。锂的火焰可以用来检测锂的存在,也可以用来制作烟花和信号弹。

锂在自然界中主要以化合物的形式存在,常见的有锂辉石、锂云母、锂电气石和锂磷铝石等矿物,以及盐湖卤水中的锂盐。锂的分布不均匀,主要集中在南美洲的智利、阿根廷和玻利维亚等国,以及中国的青海、西藏等地。这些地方有着丰富的盐湖资源,是锂的主要产地。

从盐湖卤水中提取锂的方法是通过太阳能蒸发卤水,使锂浓度增加,然后用碳酸钠或碳酸氢钠沉淀出碳酸锂,再经过精制和电解,得到金属锂。这个过程需要大量的水资源和时间,这对当地的生态环境和社会经济有一定的影响。为了减少水的消耗和提高锂的回收率,一些新的技术正在研发中,例如用纳米滤膜、离子交换树脂、溶剂萃取等方法来分离和富集锂。

从富锂矿石中提取锂的方法是通过烧结、浸出、沉淀、精制等步骤,得到碳酸锂或氢氧化锂,再经过电解,得到金属锂。这个过程需要高温和强酸,这对设备的耐腐蚀性和操作的安全性有较高的要求。为了降低成本和提高效率,一些新的技术正在研发中,例如用微波、超声波、高压等方法来加速矿石的烧结和浸出。

在1912年,当时有一个叫刘易斯的化学家,他想用锂作为电池的负极,因为锂是最轻的金属,也是最活泼的金属,它可以释放出很多的电子,给电池提供很高的电压。但刘易斯没有成功地制造出锂电池,他只是把锂放在一个玻璃瓶里,和一些其他的东西一起,但是没有什么反应发生。

一直到了1970年,化学家惠廷厄姆在埃克森的公司工作,他发明了第一个锂电池的原型,它使用硫化钛作为正极,金属锂作为负极,能够产生2.5伏的电压。但惠廷厄姆的锂电池有一个很大的问题,就是它不稳定,它很容易发生短路,甚至爆炸。

1976年,牛津大学古登纳教授改进了惠廷厄姆的设计,将正极材料换成了锰尖晶石,提高了电池的电压和稳定性,达到了4伏的水平。随后,针对锂电池的研究似乎又陷入了瓶颈。

直到1980年,日本化学家吉野彰在旭化成公司工作时,发明了第一个锂离子电池的原型,它使用钴酸锂作为正极,石墨作为负极,能够实现可充电和可循环的特性。但是受限于当时的技术水平和制造成本,这项技术仍然没有实现工业化和商业化。

一晃时间来到了1991年,历史的车轮滚动到了索尼公司门口,他们的材料科学家终于将吉野的发明商业化,推出了世界上第一款锂离子电池产品,用于便携式电子设备,如摄像机和笔记本电脑,电池的技术革命即将爆发。

1996年,古登纳教授再次一鸣惊人,提出了磷酸铁锂作为正极材料的方案,它具有更高的安全性和更长的寿命,这十分适合用于大型储能和电动汽车领域。至此,我们正式进入了锂电池的时代的大门。

2019年,古登纳、惠廷厄姆和吉野三位科学家因为对锂离子电池的开发和贡献,共同获得了诺贝尔化学奖。

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锂在不同领域的应用和发展,展现了它的多样性和重要性。锂在电池、玻璃、陶瓷、润滑剂、原子能、航空航天等领域都有广泛的用途,尤其是进入21世纪以来,由于锂的性能优越,能量密度高,成为新能源和新材料的最为重要元素。

随着新能源汽车、智能手机、可再生能源等产业的发展,锂的需求量持续增长,预计到2025年,全球锂的需求量将达到80万吨,而目前的供应量只有30万吨,存在较大的缺口。锂的提取和利用面临着资源分布不均、技术水平不高、环境影响不小等挑战。锂的应用也存在着安全性、稳定性、成本等方面的问题,科学家们需要不断优化和改进锂的性能和品质,开发更多的锂基产品和材料,来拓展锂的应用领域和市场空间。