世界中で「リチウム採掘」：周期表の「最初の」金属元素の魔法の用途とは？

2024年1月、メディアは中国天然資源省から、中国の地質調査作業員が四川省雅江で100万トン近くのリチウム資源を発見したと報じた。これは、これまでにアジアで発見されたペグマタイト型単一リチウム鉱山としては最大規模となる。では、ペグマタイト型モノマーリチウム鉱石とは何でしょうか？この発見の重要性は何でしょうか?まずはリチウムから始めましょう。

01 この「リチウム」には小さなファイルがあります

リチウムは、周期表の第 2 周期 IA 族に位置する金属元素です。また、化学周期表の最初の金属元素でもあります。元素記号はLi、原子番号は3、原子量は6.941です。リチウムは銀白色の柔らかい金属で、すべての金属の中で最も密度が低いです。しかし、リチウム元素は自然界では稀です。融点は181℃、沸点は1342℃、比熱容量は3.58kJ/kg·Kで、水と反応します。

リチウム（ギャラリーからの著作権保護された画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

一般に、IA 族のアルカリ金属は、+1 価の陽イオンを形成しやすいこと、電気陰性度と第一イオン化エネルギーが極めて低いことなど、非常に明らかな金属元素特性を持っています。さらに、リチウム原子は他の分子やイオンを容易に分極させることができますが、それ自体は容易に分極できないため、リチウム原子とその化合物の安定性に影響を与えます。

02 リチウムの証拠あり：リチウム鉱物資源の分布

リチウムは自然界に広く分布しており、地殻中には 20 ppm の濃度で存在します。主に火成岩と堆積岩に含まれますが、花崗岩の含有量は最も高く、平均含有量は40 ppmです。現在、自然界には150種類以上のリチウム鉱物とリチウム含有鉱物が存在し、その中で最も一般的なものはスポジュメン、リシア雲母、輝石、花弁石、鉄リチウム雲母です。

スポジュメンは紫外線下で蛍光を発します（ギャラリーからの著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

多くの種類のリチウム鉱山の中で、ペグマタイト型リチウム鉱山は非常に重要であり、特に花崗岩ペグマタイト型リチウム鉱山は現在、国際的な鉱床研究のホットな話題となっています。花崗岩ペグマタイトには通常、リチウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、ガリウム、スズ、タンタル、ニオブなどの希少元素が豊富に含まれています。中国におけるペグマタイト型リチウム鉱山の空間分布は比較的集中しており、主に西崑崙、松潘・甘孜、アルタイなどの地域に集中しています。

リチウム鉱山の航空写真（著作権画像は図書館から提供されており、転載すると著作権紛争が発生する可能性があります）

データによれば、世界で確認されているリチウム資源のうち、チリ、オーストラリア、アルゼンチン、中国、米国の5カ国の埋蔵量が85.73%を占めています。そのうち、中国のリチウム資源は、基本埋蔵量で世界総量の13.7％、埋蔵量で世界総量の25.7％を占めています。現在、中国で確認されているリチウム鉱物資源は、主に四川省、江西省、湖南省、貴州省、河南省、内モンゴル自治区に分布しています。そのうち、四川省のリチウム鉱石埋蔵量は全国のリチウム鉱石資源の60.56％を占め、次いで江西省（14.41％）、湖南省（11.41％）となっている。

03 世界中の「リチウム採掘」：リチウムの重要性と幅広い応用

リチウムは、電池、セラミック、ガラス、潤滑剤、冷媒、原子力産業、光エレクトロニクスなどの産業で広く使用されています。コンピューター、デジタルカメラ、携帯電話、モバイル電動工具、モバイル電源、新エネルギー自動車、現代化学工業、原子力、太陽光発電などの工業製品の継続的な発展に伴い、リチウムは国が最も重視する新時代の戦略金属の一つとなっている。現在、電池産業はリチウムの最大の消費産業であり、ガラス・セラミックス産業はリチウムの第2位の消費産業となっている。

▼電池製造業

リチウム電池は、エネルギー密度が高く、軽量、小型、長寿命、優れた性能、無公害などの理由から、非常に人気があります。近年、電池分野におけるリチウム電池のシェアは、1997年の7％から2013年には35％に増加しました。ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、小型電子機器、航空宇宙、電気機械、軍事通信などで広く使用されています。

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▼ガラス製造業

リチウム濃縮物またはリチウム化合物は、主にガラス溶解プロセスにおいて融剤としての役割を果たします。これにより、ガラス溶解温度と溶融物の粘度が低下し、生産プロセスが簡素化され、エネルギー消費が削減され、炉の寿命が延び、生産量が増加し、運転条件が改善され、汚染が軽減されます。ガラスにリチウム化合物を添加すると、ガラスの熱膨張係数が低下し、ガラスの滑らかさが向上し、ガラス製品の強度、延性、耐腐食性、耐熱衝撃性が向上します。

▼陶磁器製造業

少量のスポジュメンを添加したセラミックは、焼結温度が低くなり、焼結時間が短くなります。これらから作られたセラミック製品は、流動性や接着性が向上し、耐熱性、耐酸性、耐アルカリ性、耐摩耗性にも優れています。現在、スポジュメン含有セラミックスは、電子レンジトレイ、電磁調理器パネル、タービンブレード、スパークプラグなどの製品に広く使用されています。

▼ グリース製造業

リチウム系グリースは、抗酸化性、耐圧性、優れた潤滑性能などの利点があります。グリースの粘度は-60～300℃の範囲でほとんど変化しません。そのため、リチウムベースのグリースは、航空機、戦車、電車、自動車部品のほか、冶金や石油化学産業でも広く使用されています。

▼冶金産業

リチウム合金は、航空機製造業界における軽合金、超軽合金、耐摩耗合金、その他の非鉄合金の重要な構成部品です。合金にリチウムを加えると、合金の特性が大幅に向上します。例えば、リチウムマグネシウム合金は、優れた熱伝導性、電気伝導性、延性を備えているだけでなく、耐腐食性、耐摩耗性、優れた耐衝撃性、高速粒子の浸透に対する耐性などの特性も備えた高強度で軽量な合金です。 「明日の航空宇宙合金」として知られ、航空宇宙、国防、軍事産業で広く使用されています。

国産大型旅客機C919が初めて大規模にアルミニウムリチウム合金を採用（出典：新華社）

リチウムも優れた脱ガス剤です。リチウムを溶融金属または合金に加えると、金属または合金内の水素、酸素、硫黄、窒素などのガスと反応して、密度が低く融点が低い化合物が形成されます。このプロセスでは、ガスを除去して金属の密度を高めるだけでなく、金属内の気泡やその他の欠陥も除去されるため、金属の粒子構造が改善され、金属の機械的特性が向上します。その上：

リチウム金属は、熱容量が大きく、液相温度範囲が広く、熱伝導率が高く、粘度が低く、密度が低いという特性があり、核融合炉や核分裂炉の冷却材として使用されています。

臭化リチウムは、非常に効率的な水蒸気吸収剤および空気湿度調節剤であり、空調、除湿、冷蔵、空気浄化システムに広く使用されています。

リチウム塩肥料はトマトの腐敗や小麦のさび病を予防します。アルミニウム電解セルにリチウム塩を添加すると、溶融塩の流動性が向上し、電気分解の程度が低下し、大幅に電力を節約できます。

n-ブチルリチウムは、スチレンやブタジエンアルコールの合成開始剤としても使用され、耐高温・耐低温ゴムシーリング材やゴムタイヤにも広く使用されています。ゴムタイヤにブチルリチウムを添加すると、耐用年数が 4 倍以上長くなります。

リチウムはまさに「万能薬」です。今回発見されたリチウム鉱山は、我が国の戦略的金属資源にとって重要な補完物となることは間違いありません。将来、この資源を合理的に利用すれば、この資源は間違いなく我が国の多くの産業をより高いレベルに押し上げると信じています。

著者: 徐昌、中山大学構造地質学博士

査読者: 董漢文、中国地質科学院地質学研究所准研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社