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【科學講堂】泉水「煉」鋰 用之不竭

2017-12-06

較礦石提取便宜卻耗時 互有長短

近年,手提電腦、電話、照相機等等大行其道,除了各種儀器功能高度發展,吸引大眾爭相使用功不可沒外,耐用的電池也是不可或缺。現今流行的電子產品使用的電池,大都是鋰離子電池(lithium ion battery) 。

顧名思義,鋰離子電池當中自然含有鋰(lithium)這種金屬。近年推出的電動汽車,更加需要大量的鋰去製造更大的電池。金融公司高盛(Goldman Sachs)估計,特斯拉(Tesla )的 S 型號電動汽車,其70kWh電池所需的鋰,比一萬部手機所需的鋰還要多。

大家可有想過,這些電池中的鋰,是從哪裡來的?要從大自然中提取鋰,礦石是現今一個主要的來源。

礦石提取4步驟 只需幾天完成

鋰輝石(spodumene)與透鋰長石(petalite)由鋰、鋁、矽及氧幾種元素組成,是鋰金屬的重要來源;鋰雲母(lepidolite)含有多種金屬,除了鋰以外,還是提供銣(rubidium)等等稀有金屬的原材料。

從這些礦石中提取鋰需要多重步驟,大致上有4種不同的過程。

第一,就是將礦石碾磨壓碎,以加速其他的化學過程;第二,是在提取過程的不同步驟中為材料加熱,這樣不但可以加快化學反應的速度,熱力本身還可以改變礦石的分子結構,令鋰更容易被提取;第三,在不同階段加入硫酸、蘇打,以化學反應最終製成碳酸鋰;第四,以不同方法將不必要的雜質去除。

南美「鋰金三角」水 加蘇打轉化

除了礦石以外,鋰還存在於一些含礦量高的泉水中。南美國家阿根廷、智利和玻利維亞有許多這樣的泉水,因此被稱為「鋰金三角」。

從這些泉水提煉鋰的方法,跟我們從海水提取食鹽有點兒相似:把這些泉水泵到地面的蓄水池中,然後等待陽光和乾燥的天氣讓水分慢慢蒸發掉;直至鋰的濃度達到一定程度再加入蘇打,泉水中的氯化鋰就會轉化成為碳酸鋰供我們收集。

和上述的「礦石方法」相比,這個方法便宜得多:大約只需要一半的成本。不過由於泉水蒸發的速度不會很高,這個「泉水方法」可能需要一年半到三年去提取碳酸鋰;反過來說,從礦石中提煉,只需幾天就足夠了。因此是「速度」與「成本」之間的取捨。

我們需要為鋰的供應而擔心嗎?美國麻省理工材料科學及工程學系的助理教授 Elsa A. Olivetti和她的伴侶於今年10月發表了一份研究文章,指出由 2010年至2014年間,我們對鋰的需求增加了73%,而供應只上升了28%,碳酸鋰的價格也在2015年急劇飆升。

不過,鋰在地球的含量,應該足夠滿足我們的需要。只不過「從泉水取鋰」的方法需時,不能馬上適應我們需求的急速改變。幸而有跡象顯示,供應商們正在努力提升產量,因此對鋰未來的狀況還不需悲觀。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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