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中国锂电池的命,四川人说了算

酷玩实验室 · 2022-11-19 · 来源:酷玩实验室公众号
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  大家都知道,新能源车今年卖爆了。

  今年1-10月份,中国新能源汽车产销量双双突破500万辆,分别完成548.5万辆和528.0万辆,同比均增长1.1倍,销量占全球的60%以上。

  前10个月,中国新能源汽车出口49.9万辆,同比增长96.7%。

  但是与此同时,中国电动车最重要的原材料——锂,却无法摆脱进口依赖,锂原料对外依存度约为65%。

  一些海外势力已经盯上了中国的这块软肋。

  最近1个月内先后发生了两件事:

  南美的阿根廷、玻利维亚和智利三国正在起草一份文件,要联合成立一个锂业的“欧佩克”,在锂矿价格波动时达成“价格协议”,像欧佩克一样掌控锂矿的定价权。这三个国家掌握着全球近六成的锂矿资源。

  有分析认为,如果这三国能搞成“锂佩克”,那么未来这一组织还有可能吸纳锂矿石生产大国澳大利亚加入。

  另外,加拿大工业部以所谓的国家安全为由,要求三家中国公司剥离他们在加拿大的关键矿产公司的投资。另外美国、加拿大、澳大利亚还建立了“矿产安全伙伴关系”,要加强盟友之间的资源合作。

  思哲研究所高级研究员王英良指出,全球正在兴起一波资源民族主义浪潮。

  伴随着国内电动车市场的供销两旺,锂资源价格水涨船高,国内下游企业不断承压,目前电池成本已经占到新能源车总成本的40%~60%。而中国锂资源储量只占全球1.1亿吨的7%,为795万吨,未来存在较大缺口。

  上个月我们写钠电池文章的时候,电池级碳酸锂价格还在50万元/吨左右,现在就已经达到了60万元/吨的水平。

  对于尚未摆脱石油进口依赖的中国来说,锂这个“白色石油”的称号越来越名副其实了。

  面对这样的局面,中国是不是只能坐以待毙?

  很显然,我们需要尽最大努力开发国内的锂资源。

  但是奈何老天爷不赏饭吃,中国目前的锂资源储量远远满足不了中国新能源汽车和储能行业高速发展的态势。

  是不是这样下去,我们就只能束手就擒了呢?所谓的能源转型,是不是从一种依赖变成了另一种依赖?

  我认为答案是否定的,或者至少可以说,没有那么悲观。

  因为有一群中国人,他们几十年如一日,从来就没有放弃过对国内锂资源的探索和开发。

  在四川,他们找到了中国新的希望。

  他们有一个共同的名字:中国盐湖人(盐湖科技工作者)。

  不过在这个故事的一开始,他们没想去找“锂”,他们找的也根本不是锂。

  01

  1951年春天,兰州大学化学系主任戈福祥教授花了两个小时,提笔写下了他人生中最重要的一封信。

  这封信没有寄给某个人,而是直接寄到了中华人民共和国政务院(那时还没成立国务院)。

  他建议中央重视西北地区的盐湖资源,因为里面有钾元素,制成化肥以后,农作物产量可以成倍增加。

  我们知道化肥主要包含氮磷钾三种重要元素,在当时中国已经能够生产氮肥和磷肥,只有钾肥因为缺乏原料,生产不了。

  这封信一路递到了时任政务院政务委员、财政经济委员会副主任李富春的办公桌上。不久以后,在周恩来总理主持的政务院工作会议上,他拿出了这封戈教授的来信。

  从此,盐湖调查和开发利用工作被提到了国家的议事日程上,直接促成了1957年中国科学院盐湖科学调查队的成立。

  担任这个调查队队长的是柳大纲,中国盐湖化学的奠基人。

  1957年国庆节前,一队敞篷卡车穿过彩旗飘扬的街道,驶向柴达木盆地,开启了新中国成立以来最大规模的盐湖科学调查行动。

  当时队里很多都是二十几岁的年轻人,其中就包括刚刚从大学毕业的郑绵平。

  到了柴达木一看,有房子,但是没有门窗。大家只能用石头把门堵住,然后在行军床上简单安顿下来。

  一天清晨,郑绵平出门散步,碰到了柳大纲,二人边走边聊。

  驻地附近连路都没有,就是把盐巴压实,泼上水就是马路。

  郑绵平注意到路边每隔20米就有一个浅坑,被阳光一照,亮晶晶的闪着光。

  郑绵平蹲下身来,发现浅坑四壁有蚕豆大小的斜方锥晶体,晶莹透明。

  他抠下几颗用舌头一舔:“老师,辣的!”

  因为盐巴是咸的,辣的盐要么是镁,要么是钾。

  他赶紧把晶体递给柳大纲,很快鉴定为一种钾盐矿物——光卤石。

  柳大纲立即部署察尔汗湖的坑探和钻探工作。发现很多地方都有光卤石的沉积物,一个个像土豆一样大。

  经过调查,他们估算出全湖卤水的氯化钾资源量为1.508亿吨。

  为了证明这里的钾盐具备开采价值,他们土法上马,自创了一套钾盐提取办法,用光卤石加上淡水分解生产出了氯化钾。

  

  虽然一开始只有10公斤,但含钾量达到50%,达到工业钾肥的标准,随后在1958年产出钾肥950吨。

  在柳大纲等人调查察尔汗盐湖之前,外国专家曾经断言中国没有钾资源,即便有也很贫乏,中国永远不可能生产出钾肥。但是中国人把它找了出来。

  直至今日,察尔汗湖的钾盐工业体系依旧是中国最大的钾盐生产基地。察尔汗湖群还是中国最大的可溶性钾盐矿床,实现500万吨钾肥年产量,出产了全国一半以上的钾肥,稳居中国第一,世界第四。青海盐湖工业股份有限公司(盐湖股份)也因此发展壮大。

  

  几十年来,每一个中国人能吃饱肚子,都要感谢这个基地做出的贡献。

  1960年,在北戴河召开了全国第一次盐湖盐矿学术会议,柳大纲做了几个小时的报告,首次指出中国盐湖具有“多、大、富、全”四个特点。

  从1951到1957年,中国科学家发现面积在1平方公里以上的盐湖至少有1000多个,主要分布在青海、新疆、内蒙古和西藏。

  这些盐湖的成因并不复杂,很多地势像盆一样的地方,只有进水处,没有出水口,雨水冲刷,把石头里的矿物质带到水里,卷入湖中,暴晒水分蒸发,矿物质无处可去,饱和析出,凝结成盐,水成了卤水,湖成了盐湖,成了人类社会天然的聚宝盆。

  

  柳大纲在《光明日报》上发表文章说:“钾盐如光卤石氯化钾是生产农业肥料与制取其他钾的盐类材料。硼是许多工业新技术材料必需的,锂是原子能工业必需的,镁是轻金属及其合金的重要组成……这些盐类在国民经济、国防及人民生活中具有重大的意义。

  在元素周期表当中,有60多种元素都可以在盐湖中找到。

  当时锂离子电池还没有像今天一样在数码产品中得到大规模的商业化应用,但是锂产品广泛应用在玻璃、陶瓷、核工业、锂润滑脂、药物和聚合物、钢铁工业塑造熔剂、原铝及铝锂合金、光学材料和功能材料等生产领域。

  正是在柳大纲等人的深入研究基础上,国家科学技术委员会采纳了他的建议,在1963年成立了盐湖专业组,由柳大纲组织制订了《中国盐湖科技发展十年规划》。

  在这一规划中,他提出在三大盐湖建立三个工厂的设想,除了10万吨钾肥工厂,250万吨食盐工厂,第三大工厂就是要在大柴旦盐湖建立生产锂盐和硼酸的示范车间。

  也是在他的提议下,中国成立了一个重要的盐湖科学机构——中国科学院青海盐湖研究所。组织上计划由61岁的柳大纲亲自担任所长。

  

  青海盐湖所的工作环境十分艰苦。因为有高原反应,年届六旬的柳大纲经常睡不着觉,平躺着难受,他就斜靠在床上休息几个小时,白天继续在野外工作。

  湖里的卤水不能喝,从外界运一趟水要1个月,所以所有人都节约用水,经常几个月不洗脸,不刷牙,不刷碗。生活用煤有时要步行从20公里外用肩膀扛回来。一群体面的知识分子,脏得像乞丐一样。

  溅在衣服上的卤水干了以后,硬巴巴的像糊了一张干牛皮,时间长了,裤子就从膝盖处折断了。

  当时他已经是中科院化学所的所长,而且身体情况也不是很好,还在苏联专家撤走以后承担了核燃料处理工艺的研究问题,领导担心他的担子太重。

  但他说:“如果组织信任我,我愿意竭尽全力。”

  

  在他的带领下,中国在60年代提出了我国第一个直接提取锂盐的工艺流程,生产能力达到年产400吨。

  直到今天,中国的盐湖事业,其中也包括中国锂盐原料工业的发展,都是在柳大纲这代人开拓的道路上不断进发的。

  02

  柳大纲和他的团队深知盐湖资源有多丰富,还有很多宝贵的元素等待被“唤醒”。

  

  锂在自然界以两种主要形式存在,一种是固体的矿石,另一种就在盐湖的卤水中。过去人们找锂,第一反应是找矿石,但是进入20世纪下半叶,人们发现,矿石中蕴藏的锂只占可开采总量的1/5,更多的锂都藏在内陆的盐湖和地下卤水当中。

  在1958年郑绵平主笔的《柴达木盐湖科学调查报告》种,他就估算了察尔汗盐湖氯化锂的资源量约300万吨,迄今它还是中国最大的锂盐湖资源基地。

  

  从20世纪60年代末到90年代末,中国一大批盐湖科学家前赴后继地扩大盐湖提锂的科学实验规模,但是始终没有从实验室走向大规模工厂。

  这其中一大障碍就在于提锂难度太大,投入成本大于市场销售价值,尤其是镁和锂,性质相近,难以分离,有人形容它们是“连体婴儿”。

  海外国家的盐湖中,镁和锂的比值可以低到6:1,比较容易提取,但中国的盐湖当中,镁锂比值最少也在40:1。

  国外的盐湖如果镁锂比达到8:1,就不开发了,但柴达木的镁锂比几十、上百比1,最高有1500:1的。

  高镁锂比盐湖的镁锂分离是一道世纪性难题。

  

  20世纪80年代,郑绵平两次率队到青藏高原的扎布耶盐湖考察,在湖中的烂泥巴里发现了很细的东西,只有零点几毫米。拿到显微镜下,发现这种细小的针状物质正是天然的碳酸锂。

  随后郑绵平将其取名为“扎布耶石”,并决定在这里建立世界上海拔最高的盐湖科学实验站。

  

  1982年在扎布耶湖进行现场盐矿鉴定(左一 郑绵平)

  在扎布耶湖工作的时候,夜里风浪很大,郑绵平坚持要把一个观测点的数据测完,但是狂风大作,设备仪器、橡皮船都坏了。

  一群科研人员被困在湖里,上不了岸。他们只能待在一个盐堆堆上面,把橡皮船摞起来。

  

  因为长时间浸泡,几个人下半身都湿透了。零下五六度,西北风呼呼地吹。郑绵平说大家不要睡觉,“弄不好就被冻死了”,就这样熬到了天亮,等风平浪静再划船上岸。上岸以后两腿已经不听使唤,只能让别人搀着往前挪动。

  好不容易找到了锂资源,但是怎么提取锂又变得困难重重。

  碳酸锂的特点是热了就沉淀,冷了就溶解。但是当地没有煤,没办法持续加热。

  在他之前,科学家们曾尝试过十几种不同的卤水提锂方法,包括沉淀法、碳法、离子交换法等等,但效果都不理想。

  他们想在当地支一个保温蓄热的塑料大棚,结果风一吹就刮得东倒西歪。

  他们又想利用太阳能,支一个大锅盖当反射镜给卤水加热,结果风一来又把锅掀翻了。

  最后,郑绵平想了个主意。

  他发现下雨的时候,盐湖上层是凉的,但湖底下是热的。

  淡水和卤水之间有个过渡层,温度能集中到湖底下。

  他们就利用这个“太阳池”的原理,想办法提取资源。往上层添淡水,从底部进卤水,能阻止热量向上扩散,把热量蓄积在底部,让碳酸锂在热水中沉淀出来。

  如果能达到50摄氏度,70%~90%的碳酸锂都能生产出来。

  这就是他根据西藏地区的特点,发明的“盐梯度太阳池提锂法”。

  这种方法不需要加入化学药剂,也不用冶炼,就能对锂进行提取,而且成本很低。扎布耶石也几乎成了业界公认的“最好的锂原料”。

  在这里,郑绵平团队摸索出了一整套开发、提取锂盐的成熟工艺。

  2004年,西藏扎布耶锂资源开发产业化示范工程建成投产,海拔4600米,设计年产5000吨,可以持续生产100年以上。

  中国第一次实现了盐湖提锂的工业化生产,打破了锂产品被南美垄断的格局。有人估计扎布耶盐湖的潜在经济价值超过1500亿元。

  现在扎布耶盐湖是全球已开发的三大百万吨级锂资源盐湖之一,锂的品位位居世界第二。

  但是碳酸锂沉淀后呈片状、层状,产量较低。

  郑绵平团队发现池水沉淀里有些草,草根里长出了像珊瑚一样的白色柱状结晶。

  他们受到了“仿生学”的启发,设计了一种工具,像散开的纸条毽子一样,做成钢丝束架起来,碳酸锂就会往上面跑。这一项小发明就提高了25%的产量。

  但是比起这样的优化,更关键的问题是:怎么在中华大地上发现更多的锂资源?

  03

  面对国内新能源汽车市场的快速发展,中国的科学家从来没有停下寻找锂资源的脚步。

  在新时代,中国人一些找“锂”的故事,依然是从找“钾”开始的。

  从上世纪70年代开始,四川省找钾找了40多年,但是过去几十年都没有太多进展。

  比如在四川省达州市宣汉县,人们从80年代就发现了钾,但是受限于设备、技术和找钾的思路,一直没找到大规模的钾盐矿。

  郑绵平也很纳闷:“四川是个聚宝盆,按说这个地方盐这么厚,应该是有啊,怎么会没有呢?”于是他带着问题来到了宣汉。

  2014年,在郑绵平院士的指导下,四川省地矿局405地质队组织精干力量投入钾盐勘察,一年后就取得了显著的找矿效果,还把化验分析中的另一个高异常元素——锂一起纳入了主要勘察对象。

  经过探测发现,宣汉县锂钾资源品位高、品质好,便于大规模开发利用。

  当地政府官员说:“院士团队进来以后,把整个资源情况弄得清清楚楚。”

  经过郑院士项目组测算,当地核心区内富锂钾卤水8.23亿立方米,扩展范围内达到20.92亿立方米。

  更重要的是,这里的卤水镁锂比只有4:1~6:1的水平,方便资源提取。

  宣汉的富钾资源除了卤水以外,有一种新型的“杂卤石”。

  宣汉卤水矿岩芯

  看一眼它的化学式你就知道有多复杂了:

  K2SO·4MgSO4·2CaSO4·2H2O

  面对杂卤石这种新型资源,我们没有现成的国际经验可以参考,只能靠自己。

  但“天助我也”的优势在于,这种固体盐资源是可溶于水的,利用淡水就能溶解。它比光卤石难溶,但可以慢慢溶。

  有多少呢?100多亿吨。

  郑绵平说:“这样中国的问题基本就解决了。”

  但是为什么现在还不能完全搞定呢?因为它非常致密,层层叠叠,在地下两三千米到四五千米的深度,不好开采。

  但是随着中国开采技术的进步,大规模开采杂卤石未来可期。

  郑绵平说,川东北达州市宣汉县普光地区可以形成我国第一个亿吨级以上的大型海相钾盐资源基地。

  2022年4月,在《宣汉县人民政府关于市政协五届一次会议第046号提案协办意见的函》中,宣汉县方面指出,预测当地富锂钾卤水约21亿方,含氯化锂240万吨。

  当地政府和企业已经着手开展锂钾资源综合开发,已招引入驻赣锋锂业、正威国际集团、恒成集团等3家企业。

  恒成能源公司富锂钾卤水提取生产基地

  江西赣锋锂业股份有限公司计划投资100亿元,实施退役电池回收综合利用项目、年产5万吨卤水提锂项目,建成后可实现年产值130亿元、年利润40亿元、年创税10亿元。

  宣汉县委副书记、县长冯永刚指出,估算富锂钾卤水价值7000亿以上,新型杂卤石硫酸钾价值2万亿以上,加上其他伴生资源,潜在经济价值巨大。

  宣汉锂钾资源的开发过程告诉我们,未来的中国面对电动车动力电池市场的大爆发,可能需要我们用创新的科学方法、用创新的开采和生产手段去获取关键性的矿产资源。

  我们不能仅仅依赖过去对资源的认识,去挖掘未来中国可以利用的矿产。

  它们是沉睡在中国960万平方公里土地上的宝藏,它们等待着更多个柳大纲、郑绵平去发现它。

  当郑院士回顾自己“找矿”的一生,他说:“虽然有很多艰苦的地方,但是还是很值得。”

  他坚持要把文章写在祖国的大地上,把科研和国家需要结合起来,为百姓创造效益,才是科研的使命。

  因为常年在外科考,郑绵平先后患上了前列腺炎、皮肤病、髌骨老化、腰肌劳损等多种疾病。

  但直到2020年,86岁高龄的他还在野外奔走考察。

  他说:“我是国家培养的,是用国家助学金念完的大学,所以回报永远都回报不完。”

  时至今日,郑院士还在强调,中国要加大盐湖人才引进和培养的投入力度,要让人才引得进、留得下、干得好。

  根据郑院士的预测,按照我们现在的家底来计算,到2030年,中国可以生产55~65万吨碳酸锂,大约是2021年产量的2倍,其中盐湖提锂占到30~40万吨。这样中国就有希望实现50%以上的需求自给。

  郑院士说:“未来随着电动汽车的崛起,那么谁对全球锂资源拥有主导权,谁就拥有下一个‘中东’。我们有信心、有能力,能够为我们国家的资源安全守好安全底线。”

  尾声

  20世纪80年代,已经是中国科学院化学研究所名誉所长的柳大纲,一家人还住在破旧的小房子里。家里到处都是书,过道里走路都困难。

  组织上多次要给他换大房子,他不换,说是上班近,搬得远了要车接送会耗费国家的汽油。

  结果有一次趁他去外地出差,单位特地安排了人,把他家从小房子里搬了出来。他回家发现以后还很不开心。

  最后重病住院期间,他嘱咐家人和医生,不要在他身上多花钱了,要为国家多省一点钱。

  每一次学生和同事在他指导下完成了论文和专著,希望能把他的名字一起署上,都被他婉言谢绝。

  他的一位亲戚去插队时穿了他在青海穿过的老羊皮工作服,柳大纲知道以后给亲戚买了新衣服,把工作服换了回来,家里人不理解。

  他说:这是青海的劳保用品,是单位发的,不能随便穿,只有去盐湖工作的时候才能穿。

  柳大纲的孙子上中学的时候,看到爷爷伏案写作的书桌上,玻璃板下面压了一张纸,上面写了一行字。

  小孙子问爷爷为什么要写这么一句话,让自己天天看到。

  柳大纲说:“人不能老想着为自己谋好处,记住,那是一件可耻的事情。”

  纸条上写的是一句陆游的诗:

  一生常耻为身谋。

  他是这么说的,也是这么做的。

  在全球能源转型和碳中和共识加速推进的今天,我想把这句话送给智利,送给阿根廷,送给玻利维亚,送给加拿大,送给澳大利亚。

  欧佩克是旧化石能源时代的产物,谁要在碳中和时代搞锂佩克,谁将是全人类的耻辱。

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