锂——21世纪新能源材料

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  锂是一种稀有金属,可它与我们的生活却有着紧密联系。手机中的锂电池就以它为主要原料,电视机的荧光屏使用锂玻璃可以防止爆炸,航空航天工业也离不开锂,在核工业中锂同样扮演着重要角色:1千克锂具有的能量,相当于2万吨优质煤炭,可以发出340万千瓦时的电力,比铀裂变产生的能量还要大8倍。因此,锂又被称为21世纪的能源新星。
  
  最轻的金属
  
  锂是一种银白色的金属,密度为0.534克/立方厘米,跟干燥的木材差不多。作为最轻的金属元素,锂具有独特而优秀的物理化学性质。
  在室温条件下,锂能在空气中“燃烧”,和空气中的氮气和氧气发生强烈的化学反应,遇到水也要发生剧烈反应,因此通常只能贮藏于液体石蜡中。发现金属锂的是瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森,时间是在1817年,贝齐里乌斯将这一新金属命名为Lithium,元素符号定为Li。该词来自希腊文lithos,意为“石头”。
  锂号称“稀有金属”,其实它在地壳中的含量不算稀有,地壳中约有0.0065%的锂,其丰度居第27位。已知含锂的矿物有150多种,其中主要有锂辉石、锂云母石等。海水中锂的含量不算少,总储量达2600亿吨,可惜浓度太小,提炼困难。有些矿泉水和植物机体里也含有锂,可供开发利用。
  我国的锂矿资源丰富,以目前我国的锂盐产量计算,仅江西云母锂矿就可供开采上百年。西藏高原锂资源开发前景诱人,在海拔4421米的扎布耶盐湖发现了碳酸锂。目前,碳酸锂全球的年产量为6万多吨,主要生产国是智利。几年后,扎布耶盐湖将成为世界上最大的锂产业基地,它作为全球为数不多的超百万吨级盐湖之一,具有重大的经济意义。
  
  广泛的应用
  
  我们知道,彩色电视机的荧光屏十分重要,荧光屏使用的不是普通玻璃,是加进了锂的锂玻璃。因为在玻璃中加进锂或锂的化合物,可以大大提高玻璃的强度和韧性,而不会影响透明度。
  由于锂的性质非常活泼,和氢、氧、氮、碳及氧化物等物质结合能力很强,冶金工业常把锂用作“捕气剂”,可以很好地消除金属铸件中的孔隙气泡、杂质和其他缺陷。
  金属锂与铝、镁、铍等“合作”组成的合金,既轻便,又特别坚硬,已被大量用于导弹、火箭、飞机等的制造上。用这种合金来制造飞机,能使飞机重量大大减轻,一架锂合金小飞机几个人就可以抬起来。
  把含锂的陶瓷涂到钢铁的表面,形成一层轻薄而耐热的涂层,可用作喷气发动机燃烧室和火箭、导弹外壳的保护层。我们生活中使用的瓷碗,上面那层亮晶晶的釉也含有锂。
  润滑剂中加进锂的化合物,可以大大改善润滑效能。这种润滑剂适用的温度非常广,50℃~200℃范围都可以,因此被广泛应用于航空、动力机械装置。如果在汽车的一些零件上加一次锂润滑剂,就足以用到汽车报废为止。
  氢化锂遇水发生猛烈的化学反应,产生大量的氢气。2千克氢化锂分解后,可以放出氢气56.6万升,的确是名不虚传的“制造氢气的工厂”。第二次世界大战期间,美国飞行员备有轻便的氢气源——氢化锂丸作为应急之用。飞机失事坠落在水面时,只要一碰到水,氢化锂就立即与水发生反应,释放出大量的氢气,使救生设备充气膨胀起来。
  当然,与我们生活关系最密切的金属锂当属锂电池了,其突出优势是能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等。锂电池在手机、笔记本电脑等产品中被广泛使用,并逐步向其他应用领域发展。大到电动车、小到心脏起搏器,都要用到锂电池。但是锂电池也有不安全因素,比如,要注意不要剧烈碰撞,不要在高温下使用,电池出現破损就不要使用,也不要碰触。
  
  核聚变的主角之一
  
  真正使锂成为举世瞩目的“明星”金属的原因,还是它在核聚变反应中的突出作用被发现之后,人们称誉它为“高能金属”。
  自然界中实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变(氘又叫重氢、氚又叫超重氢),可控核聚变俗称“人造太阳”,因为太阳的原理就是核聚变反应(也叫热核反应)。目前,受控核聚变反应已取得突破性进展,世界各国争相建立受控核聚变反应试验装置。核聚变反应将给人类带来源源不断的清洁能源,就像太阳带给我们的一样。
  科学家发现,人类现在还无法控制“氘-氘”反应,它太猛烈了,需要的温度极高!除了在实验室条件下一次性的反应外,很难让它持续链式反应下去。而“氘-氚”反应的烈度要小很多,反应速度仅是“氘-氘”反应的百分之一,而点火温度也相对低,比较适合人类现有条件下的利用。但问题是,氚不同于氘,在地球上几乎没有,人工制造极其昂贵。如何大量制造出来氚呢?科学家们想到了锂。果然,锂的同位素被中子轰击之后,就会裂变变成氚和氦。
  更令科学家高兴的是:“氘-氚”聚变反应后,除了形成一个氦原子核之外,还有一个多余的中子,并且能量很高。这样,人们只需要在核聚变的反应体内保持锂核的浓度,那么这个多余的中子就会轰击锂核,促使锂核裂变,产生一个新的氚,这个氚则继续参与“氘-氚”反应,继而产生新的多余中子,链式反应就形成了! 也就是说,人们只需要给反应体提供两种原料——氘和锂,提供足够的点火温度,就能实现“氘-氚”核聚变反应,并且维持它的连续进行。这两种原料还是比较容易取得的,氘在海水中的含量比较高,锂的资源总量虽然不如氘多,但是更容易取得一些。明白了这些,锂被称誉为“高能金属”就不足为奇了。
  【责任编辑】庞云
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