要回答锂从哪里来,我们需要穿越到约138亿年前,宇宙刚刚诞生的年代。


一、锂的宇宙来源

众所周知,在现代理论中,宇宙起源于一次大爆炸(也就是Big bang),在大爆炸之前,什么都没有。爆炸之后的数十秒内,宇宙温度极高,没有任何原子存在——宇宙由夸克-胶子等离子体以及其他一些基本粒子组成。

随着大爆炸后温度快速冷却,夸克开始组成质子和中子,同时由于质子带有正电荷,开始吸引电子在其周边旋转——一个质子和一个电子,正好构成平衡,这就是第一种元素,氢。(PS:氢的两种同位素氘和氚就是一个质子之外,再加上一个或两个中子,中子不带电)。

所有元素都起源于大爆炸,锂也不例外 图片来源:wikipedia

所以所有元素中,氢最多,而氢也是组成其他元素的基础,就好像搭积木的每一个积木块一样。或者你要是玩过2048这个游戏,也能大致理解这个过程:2+2=4,4+4=8,8+8=16一直到加到2048你就赢了。

元素的合成也类似,在氢形成之后,会与氢或是质子继续碰撞,发生核聚变,形成氦,以及锂。氢、氦、锂是宇宙中最初的三种元素。而若是继续用2048这个游戏进行对比的话,你会发现,在这个游戏中,2的数量最多,其次是4,再次是8,数值越大数量越少。

不同元素的成因 图片来源:wikipedia

所以从这个类比我们就能推断出,其实锂在理论上应该是宇宙中第三多的元素。

顺嘴提一下,其他元素,都是在恒星形成后,由这些轻的元素在恒星中继续核聚变形成的。

但是,凡事都有个但是,一方面可能是锂比较容易在恒星深处被燃烧掉,另一方面可能在宇宙中并没有很多产出锂的机制,所以锂元素,以及铍元素等其含量都明显比其他元素低一些。但即使如此,锂的总量也依然很可观。

太阳系中元素丰度(简单理解就是丰富程度),其中有一个很奇特的特征,除了氢之外在元素周期表中为奇数的元素,丰度都偏低 ,但整体趋势很明显,原子序数越大,越稀少。纵坐标是对数坐标,也就是说,每差一个位数,实际差别是数量后面少一个零 图片来源:wikipedia

二、锂的地球来源

地球是由无数小行星撞击而成的,在形成之初,其可能全部或部分是岩浆球。岩浆其实就是一种液体——在无数撞击之下,液体会被搅和匀称,所以,形成之初,锂元素我们可以看作它是均匀地分布在地球各处的,这应该很好理解对吧?

地球形成于大约45.5亿年前,取个整四舍五入一下也就是45亿年了。无数小行星的撞击让地球就是一个红彤彤的岩浆球,图片中的环状就是撞击产生的。 图片来源:flickr/Kevin Gill

但是随着地球开始冷却下来,就好像被你搅和匀的一杯浑水,放久了之后其中的泥沙会沉淀在杯子底部。地球上的元素也这样,重的会下沉,轻的会上浮,所以锂元素理所当然会上浮——其中一部分可能随着地表岩浆的冷却被固定在了岩石中,一部分则集中在地幔的上层,也就是上地幔中——这是锂在地球的富集处。

地球上的锂富集在上地幔中 图片来源:123RF

在地球经过数十亿年后,地幔岩浆中的锂元素可能会随着岩浆的上涌被喷出地表,但有些岩浆会在上涌过程中凝固下来,变成侵入岩——一般也就是花岗岩、花岗伟晶岩。所以我们如果要找这种内生型(简单理解就是由岩浆直接形成的)的矿,就会在花岗岩或花岗伟晶岩中找到。它们一般以锂辉石、锂云母等矿物出现。

锂辉石 图片来源:wikipedia

锂云母 图片来源:wikipedia

但还有一种情况是,富含锂元素的岩石被长期风化掉了,其中的锂被水溶液带走——带走到哪里去了?跟着水走呗!水又是往低处流的,所以锂会被带到地下水、湖泊或者是所有水体最终的目的地——海洋中。

这时候,如果这些水体正好是封闭的,而蒸发又比较强烈,那么水就会变成卤水——这相当于锂被富集了。所以一般,我们在地下卤水、盐湖以及海洋中能找到大量的锂。其中海洋中的锂估计有2300亿吨。

正在开采锂的盐湖 图片来源:wikipedia

还有一种情况,就是如果这些水体流过的地方有大量黏土层,黏土矿物就会像海绵一样吸附锂元素,这样锂也会富集到黏土层中。

蒙脱石(一种黏土矿物)的显微照片 图片来源:参考文献[1]

所以我们可以总结一下,锂矿一般在花岗岩/花岗伟晶岩、卤水以及黏土层中找到,这也是实际上锂矿开采的来源。其中,根据估计,花岗岩中的锂矿占比26%,卤水型锂矿占比66%,黏土层中的锂矿占比8%。


三、锂矿都在哪?

世界上的锂矿分布比较集中,其中最大规模的在南美的阿塔卡玛沙漠附近,这里盐湖众多,盐湖中锂含量高,开采简单,被称为“锂三角”,涉及到的国家包括玻利维亚、智利和阿根廷。

其次就是澳大利亚、中国、美国了,其中澳大利亚以花岗岩/花岗伟晶岩锂矿为主,中国则多为盐湖(位于青藏高原上),美国则是以花岗岩/花岗伟晶岩锂矿和黏土矿为主。

全球锂矿分布及各国储量一览 图片来源:参考文献[2]

四、锂矿怎么开采?

简单来讲,不同锂矿开采都不一样,比如花岗岩/花岗伟晶岩锂矿中,锂矿石来源可能为锂辉石,可能为锂云母,也可能为透锂长石,所以每一种矿物的采、选、炼均不一样,以锂辉石为例,首先当然是开采了,这没啥说的,几千年都一样,无法以前用镐头,现在用挖机:

图片来源:参考文献[3]

盐湖型的就更是大相径庭了,都是盐湖,但有的盐湖中镁锂比低,锂的浓度高(锂三角),有的盐湖中镁锂比高,锂的浓度低,开采分离很麻烦(中国),所以方法各不一样,甚至每一个盐湖的流程都不一样。其大致流程如下:

还有一种是黏土层中的,这是刚刚起步研究的一种锂资源,也跟盐湖遇到相似的问题,黏土种类、杂质种类、成分比例各不一样,基本上,每一个黏土矿都要研发一套不同的流程出来。这就不再多说了

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