第51个世界地球日：“锂”从山中来，仗剑走天涯

1 “锂”的家族群

1.1 锂（Li）

锂的克拉克值为30ppm，是较分散而又广泛分布的元素，主要在岩浆结晶作用的晚期阶段富集在伟晶岩中（图1）；花岗岩中含量最高，其次是碱性岩。矿床中经常与铍、铷、铯、钽等有益元素共生。 

目前，已知含锂的矿物有一百五十多种，呈独立矿物形式的有三十多种，主要工业锂矿物有锂辉石、锂云母、透锂长石、磷锂铝石、铁锂云母等（图2）。川西稀有金属矿集区中的锂资源基本以锂辉石形式产出。

锂辉石，化学成分LiAl[Si₂O₆]。一般Li₂O含量7%左右。晶体呈柱状、板状、针状。颜色可呈无色、灰白、淡紫、淡绿、淡黄、宝石绿色。条痕白色。摩式硬度6.5-7.比重3.03-3.22。

1.2 铍（Be）

铍的克拉克值为6ppm，为显著的亲石元素。在花岗岩及霞石正长岩中的含量较高，在岩浆分异过程中富集于岩浆残液中，经常固结集中在岩石圈最上部，在地壳深部含量减少。

世界上已发现的铍矿物和含铍矿物有六十多种，常见的矿物约有四十多种，主要的工业矿物有绿柱石、硅铍石（似晶石）、羟硅铍石、金绿宝石（铍尖晶石）和日光榴石（图3）。

绿柱石，化学成分Be₃Al₂[Si₆O₁₈]，一般BeO含量13%左右；晶体一般呈柱状，呈绿色、黄色、浅蓝色、红色；条痕白色；玻璃光泽或树脂光泽；性脆；硬度7.5-8；比重2.65-2.91。

1.3 铌（Nb）和钽（Ta）

铌和钽的原子构造类似，因此，两者在物理化学性质、地球化学性质及矿物学性质方面都很相近。铌、钽经常共生，在岩石和绝大多数矿物中铌和钽的含量此消彼长。在成因上与碱性岩有关的矿物中铌相对地富集，与花岗岩有关的矿物中钽相对富集。

铌在地壳中的丰度为3.2ppm。钽的丰度为2.4ppm。由于铌、钽的地球化学迁移行为不同，Nb开始早，收敛晚；钽主要富集于晚期。所以铌矿物种类多，分布广，而钽的变种少，分布不广。目前已知铌、钽矿物和含铌、钽矿物有一百三十多种，常见的有三十多种。如铌铁矿-钽铁矿、钽铁矿、铋铁矿、褐钇铌矿、易解石、铌易解石、铌铁金红石、烧绿石、锰钽矿、重钽铁矿、黄钇钽矿、细晶石等（图4）。铌钽矿物基本呈黑-棕红色，半金属光泽、油脂光泽，少数为金刚光泽。比重大，因此可用重选方式得以富集。化学成分极为复杂。

1.4 铷（Rb）和铯（Cs）

铷在地壳中的丰度为90ppm。目前没有发现铷的独立矿物，呈分散状态，常以类质同象混入物出现在含钾矿物中。工业来源主要从富含铷的锂、铍、钾的矿物中提取。如锂云母中含Rb2O 3%，微斜长石（天河石）中含Rb2O 0.3%，铯榴石中含微量铷等。

铯在地壳中的含量为20ppm。含铯的矿物有十数种，但铯的主要来源还是稀有金属伟晶岩中的铯榴石和锂云母；除此之外，铯还分散在其他矿物中，如绿柱石、黑云母、天河石和堇青石等（图5）。

铯榴石，化学式Cs[AlSi₂O₆]▪nH₂O。一般含Cs₂O 30%左右，晶体往往呈立方体、粒状及致密块状，无解理；颜色为无色、白色，有时带灰、粉红、浅紫等色；性脆，硬度6.5-7；比重2.67-3.03。

2 “锂”从山中来

2.1 传统矿山

在您的印象中矿山是什么样？答案也许是偏远、是荒凉、是破旧的厂房，艰苦的条件，又或许是漫天尘土、泥浆满地、随处排污，像这样又或许是这样（图6）……       

2.2 绿色矿山

随着时代的发展和绿色矿山建设的推进，如今的矿山已不再是从前的样子。先进的设备，一流的技术，现代化的厂房，一座座“花园式”矿山正拔地而起（图7）。清洁生产，循环用水，大家再也不用担心环境污染了！         

2.3 “石头”变“电池”

石头是如何变为电池的呢？含锂矿物经过采矿进入选矿厂，采用选矿方法分选锂矿物，锂矿物经过冶金流程成为碳酸锂产品，经过产业部门的深加工，脱胎换股成为电池（图8）。

3、仗剑走天涯

3.1 锂之应用---走入寻常百姓家，健康美好新生活

随着科技的快速迭代升级，锂在的应用在日常生活中越常见。含丁基锂的橡胶轮胎更加耐用，丁基锂可使轮胎寿命提高四倍以上，让驾车出行更加安心。锂动力电池驱动的新能源汽车逐渐进入普通家庭，成为了城市代步的环保首选之一。锂电池和其他锂产品在娱乐设备得到广泛应用，为我们的休闲娱乐开启无限可能性。锂的应用在家中随处可见，时刻为我们提供便捷舒适的智能生活（图9）。

厨房中添加锂的电磁炉面板等玻璃制品，可以使其变得更轻、更结实、更耐溶。锂盐可为蔬果“健康护理”，防治西红柿腐烂和小麦锈穗病，让人们吃得放心、吃得安心。锂在医学保健也有新的应用，不仅可以强身健体，还能防治疾病，是人体健康的“守护者”。国外研究发现锂与阿尔茨海默病存在关联，一款为中老年市场打造的天然矿泉水“锂水”就此诞生（图10）。而锂的时代继往开来，从交通工具到健康护理，锂的应用遍布于我们生活中的每个角落，重新改写了每一个人的生活方式。新世纪崭新的“锂”程指日可待。

3.2 铍之应用——让医疗成像、诊断和激光医学走到了科技的前端的金属材料

铍，是仅次于锂的轻金属，主要是以铍铜合金和铍金属的形式广泛应用于航空、医学等领域（图11），是新兴产业发展必需的战略性矿产资源。目前世界上只有美国、中国、俄罗斯等国具有工业规模的从铍矿石开采、提取冶金到铍金属及合金加工的完整铍工业体系。

①提高X射线成像效果

因为铍金属既可以稳定地处理高温阻抗，又可以实现对X射线的高度透明，铍箔在医疗和科研X射线设备当中已经使用了很长时间。铍箔做为窗口来穿透聚焦的X射线，同时可以保持X射线发生管那一侧的真空环境。

②使低辐射成为可能

铍箔仍是CT扫描和乳腺X射线成像等高分辨率医学成像设备当中必不可少的材料。在新一代乳腺癌X射线成像设备当中使用低辐射扫描得到更精细地肿瘤分辨率，使得可在早期可治疗阶段及时发现乳腺癌成为可能。

③改善X射线光管强度和稳定性

做为成像技术的前端科技，铍持续为满足X射线光管高强度、稳定性、抗高温、X射线穿透率等性能要求。

④光学激光器的小型化

使用氧化铍的医学激光器可以帮助眼科医生为数百万患者恢复或改善视力。具有高导热、高强度、介电性能的氧化铍是唯一能控制微小高功率气体激光器的材料。

⑤简化外科手术

铜铍连接器将精确的电信号传送到精密手术器械和最新的非侵入性外科技术的监测装置当中。这种技术减少了对病人的创伤和感染风险，同时加快了愈合和恢复的过程。

⑥分析血液

铍还用于分析HIV和其他疾病的血液分析设备部件当中，给医生和病人提供所需的精确性和可靠性数据。

3.3 铌之新应用—冉冉升起的电子材料之星

具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度，是目前最重要的超导材料之一（图12）。

2019年材料领域国际顶级期刊《自然材料》中发表了复旦大学修发贤团队的最新研究论文《外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率》，文章显示制备出二维体系中具有目前已知最高导电率的外尔半金属材料-砷化铌纳米带，电导率是铜薄膜的一百倍，石墨烯的一千倍。此次制备出的材料砷化铌纳米带的电导率是铜薄膜的一百倍，石墨烯的一千倍。业内表示，导电材料是电子工业的基础，现在最主要的材料是铜，已经大规模运用于晶体管的互连导线。

铌行业全球市场集中度非常高，目前全球最大的铌矿企业是巴西矿冶公司(CBMN)，占据全球市场80%-85%的产量，主要从事铌产品的开发、工业化和商业化运营，是世界上唯一一家可以生产全系列铌产品(包括标准铌铁、特殊牌号铌铁、真空铌铁、真空镍铌、铌金属和五氧化二铌)的企业，对铌价格的走势具有较强的影响力，控制着全球铌产品的扩产季度。

3.4 钽之新应用---人体“亲金属”的神奇医学材料

钽作为一种金属材料，具有优异的力学性能和抗疲劳特性，故被广泛应用于临床，尤其是在骨科领域，替代人体骨组织起到承重的作用，并取得了显著的临床疗效（图13）。与人体组织在强度、生物相容性和稳定性方面，钽金属材料比传统金属材料的人工置入物更具有优势，因而钽金属在医学领域的发展有着更广阔的的前景。研究和临床应用表明多孔钽金属具有比金属钛和钛合金更好的骨融合和骨传导性能，骨组织长入良好，骨性生物固定优良。3D打印高致密度和高力学性能钽金属核心技术将为我国在高端骨科植入物、医疗器械和难熔金属工业部件的发展做出积极贡献。

钽金属作为难熔金属，在3D打印过程中，对粉体性能、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度等要求都非常高，钽金属棒内部需留了一定的通道空隙，可填充患者自体的松质骨，利用钽金属“亲生物”的特性，在钽金属棒中播下“种子”。骨组织可以同时在内部和外部在假体表面生长，术后大概2个星期就可以长进去，最终实现多孔钽金属棒和人体的完全融合。

很多金属材料因其独特的性能可用于医学领域，但由于其缺乏生物相容性不能将其优点用于临床。现在，我们可以将耐腐蚀性强且稳定的钽金属涂覆在这些金属材料的表面，使那些有独特性能但原先忌于低生物相容性而不能用于临床的金属材料重新用于临床。

3.5 铷之应用---超视距精确授时，极佳光电传感器件制造

铷是自然界一种最大光电效应的稀有分散元素，其合成材料在智能制造中逐渐开始发力。

全球独立铷矿床的非常少，下游应用供应链受限，已成为全球对该元素发展的约束要素。铷因其极佳的光电效应，其在光电管、红外辐射仪表、太阳能光电池等方面器件制造方面均实现了重大革命性变革（图14）。据外媒报道，太阳能电池在通往最高效率的道路上正在不断改进中。德国国家可再生能源实验室研究人员开发了一种新的太阳能电池，其为了改善用于吸收可见光的钙钛矿与用于吸收红外线的铜、铟、镓和硒的混合物两层之间的接触，研究小组在它们之间添加了一层铷原子，团队让电池的峰值效率达到24.16%。

铷精准计时功能助力集群医用设备同步获取精确时间信号。近年来，基于星载铷钟开发的网络同步时间服务器在国内卫生信息化部门得到了良好的推广，其功能为医院提供标准的网络时间统计信息服务，也为局部辐射区域近万台网络客户端提供精度小于5毫秒的时间同步服务器，较大程度的改善了全区医疗机构网络系统包括：医护人员的办公PC及医疗设备、走廊、大堂子钟系统等授时操作的统一性，充分实现了大数量集群精确医疗设备同步作业中时间的精准性保障。

铷基量子传感器有望用于诊断房颤。心房颤动（AF）是一种导致心率异常的疾病，发作时，心脏中传导的电生理信号易出现紊乱行为。目前常规用于检测房颤的心电图受到灵敏度、时间等诸多限制。据一项发表于《应用物理学快报》的研究，科学家利用原子磁强计，通过基于铷的量子传感器接受信号，成功对导电率与生物组织相近的溶液进行了电磁感应成像，可测出高导电性的区域。这项技术实现了非屏蔽环境下的小体积成像，且灵敏度较传统技术提高了50倍，为房颤的快速临床诊断带来了希望。