张苏江,张彦文,张立伟,姜爱玲,刘桂云
(1.自然资源实物地质资料中心,河北三河065201;2.四川省地质矿产勘查开发局化探队)
锂(Li)是目前世界上已知原子半径最小、质量最轻的稀有碱土金属,1817 年由瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森(Arfwedson)在分析斯德哥尔摩附近的透锂长石时发现[1-5]。 作为一种典型的、新世纪绿色能源和轻质合金的理想材料[6-7],一种不可再生的、 对国民经济及国防建设具有重要意义的战略物资[8],金属锂及其化合物因具有密度小、质量轻、 高储能和低膨胀系数及极强的电化学活性等多种优异的物化性能,广泛应用于玻璃、陶瓷、有色冶金、临床医药、有机合成、高能电池、核聚变发电与航空航天等民用工业、高科技和军工领域[4,9-11]。
在原子能工业中, 拥有快速捕捉低速中子能力的锂,是制造受控热核反应堆的原料;也是为飞机、火箭、潜艇等航天器提供动力的,具备燃烧度高、火焰宽、速度快、发热量大等诸多优势的高能燃料[1-2,10]。 在玻璃陶瓷工业中,锂及其化合物主要用于低热膨胀系数容器玻璃、特种玻璃的添加剂,生产耐热耐磨耐高压陶瓷和釉料[12]。在炼铝工业中,溴化锂可通过降低碳酸锂的熔点提高电解槽的电流效率,被称为“空气湿度调节剂、高效水蒸汽吸收剂”,节能环保,常用于空调、除湿、制冷和空气净化系统[2]。 与钾钠钙基类的润滑脂相比,锂基润滑脂具有抗氧、耐压、耐寒、耐水等优良性能,多用于飞机、火车、汽车、无线电探测等各种机械的润滑[1-2]。 此外,由于锂的原子量很小,用其作为电极材料制作的具有开路电压高、比能量高、工作温度范围宽、放电平衡和自放电子等优势的锂电池,不仅可作为一次电池的负极材料应用于笔记本电脑、小型电子器材和移动通信设备,而且还可用作二次电池的正极材料和电解液广泛应用于新能源汽车、航空航天等领域[1,12-13]。当前,全球资源获取、能源消费与环境保护问题日益突出, 锂俨然成为21 世纪绿色清洁高能金属,具有重要的战略价值,其开发利用越来越被世界各国广泛关注与重视[12]。
中国是世界上重要的锂矿资源储量与生产大国,其储量和产量均居全球前列。 然而,国内锂矿资源在开发利用过程中, 依然面临着资源禀赋较差、对外依存度高、生产模式粗放、产业结构失衡、技术装备落后、环境污染严重等一系列严峻问题。 本文在分析中国锂矿资源特点、矿床类型与主要分布及锂产业开发利用现状基础上,指出国内锂产业发展中存在的主要问题, 进而为保证国内锂矿资源供应、维护国家锂矿资源安全、保障中国锂产业可持续开发与利用提出相应的对策建议。
锂是自然界中典型的稀有亲石元素,在地壳中的质量分数约为0.006 5%, 多以化合物形式存在,很少形成独立矿物[4,12]。 锂可以出现在多种类型的岩石中,沉积岩中锂的平均质量分数为5.3×10-5,岩浆岩中平均为2.8×10-5[3-4,12,14]。 从超基性岩到酸性岩,岩浆岩中的锂含量逐渐增加,在花岗岩处锂含量达到最高[4]。 目前,世界上已知以磷酸盐、硅酸盐形式产出的锂矿物和含锂矿物有150 余种,锂作为独立矿物产出的只有30 多种[1-2,4,12,14]。 常见的含锂矿物主要是锂辉石、锂磷铝石与锂云母,其Li2O 的质量分数分别为5.8%~8.1%、7.1%~10.1%与3.2%~6.45%;其次,透锂长石含Li2O 质量分数为2.9%~4.8%,铁锂云母含Li2O 较少,为1.1%~5%[2]。
自然界中的锂常以固体矿物资源和液体矿床资源两种形式存在(固体锂矿石主要为锂辉石、锂云母、锂皂石、透锂长石和磷铝锂石等,液态锂多附存于盐湖卤水、海水、地热水、油田水与井卤中)[11,15]。 本文参考前人研究,根据成矿地质条件、成矿作用与矿床成因等地质因素, 将中国主要锂矿矿床类型划分为内生硬岩型和外生卤水型两个大类[14,16-17](见表1)。 其中,硬岩型锂矿包括花岗伟晶岩型、花岗岩型、云英岩型与碳酸盐黏土型锂矿,卤水型锂矿则细分为盐湖卤水型及地下卤水型锂矿[6,14,17-19]。目前已开发利用的锂矿资源中,以花岗伟晶岩型、花岗岩型与盐湖卤水型为主,这3 种锂矿床规模较大,其他类型规模相对较小[6]。
表1 中国锂矿床主要类型[6,14,17-19]
中国锂矿资源较为丰富[2],截至2015 年底,全国查明资源储量折合金属锂为540 万t,锂矿矿区数73 处(包括Li2O 矿区51 处,Li2O 保有资源储量为312.56 万t;锂辉石矿区7 处,锂辉石保有资源储量为9.37 万t;锂云母矿区1 处,锂云母保有资源储量为1 万t;LiCl 矿 区14 处,LiCl 保 有 资 源 储 量 为2 363.4 万t),主要分布在川赣青藏鄂湘豫闽新9 个省(区),并且具有明显区域性集中分布的特征[9-10,17]。其中,川赣青藏4 省(区)合计查明锂资源储量约占全国总储量的96%[9]。
在已查明的540 万t 锂资源储量中, 分布于川赣湘新等省(区)的以花岗伟晶岩型为主、花岗岩型次之的硬岩型锂矿储量约占23.6%[20]。其中,花岗伟晶岩型锂矿主要分布在松潘-甘孜、 阿尔泰与西昆仑锂成矿带, 典型矿床有川康定甲基卡、 金川李家沟、 马尔康党坝与新阿尔泰可可托海和西昆仑大红柳滩等锂矿床(如甲基卡矿田伟晶岩型Li2O 累积资源量已逾200 万t, 预测远景资源量达500 万t,位居世界同类型矿床前列; 李家沟通过原国土资源部评审备案的锂资源量为50.22 万t; 党坝已控制的333 及以上级别锂资源量不少于66 万t)[20-24]。 花岗岩型锂矿主要位于华南地区, 代表性矿床有赣宜春钽铌锂多稀有金属矿(宜春钽铌锂矿床拥有锂资源量为32.5 万t,矿石中Li2O、Ta2O5与Nb2O5平均品位分别为0.886%、0.014 1%与0.009 1%)[20,24]。
中国以盐湖卤水型为主、 地下卤水型次之的卤水型锂矿集中分布于青藏川鄂4 省(区),其中,盐湖卤水型锂矿主要集中在青藏高原与柴达木盆地,青藏高原拥有富锂盐湖80 多个(锂矿床多以碳酸盐型为主,LiCl 含量≥300 mg/L), 已查明锂资源储量约占全国总储量的18.8%,重要矿床有藏仲巴扎布耶、尼玛当雄错、龙木错等盐湖(如扎布耶盐湖为世界罕见的硼锂钾铯等综合性盐湖矿床,其Li2O 资源量达139.7 万t,是全球第三大及世界镁锂比最低的优质碳酸盐型盐湖)[5,20,24]。 柴达木盆地盐湖卤水型锂储量约占全国总储量的48.5%,典型矿床有察尔汗、一里坪、西台吉乃尔和东台吉乃尔等盐湖,多为硫酸盐型(如察尔汗盐湖是全球罕见的大型第四纪内陆硫酸盐型盐湖,其Li2O 资源量达119.2 万t,居世界第四位;西、东台吉乃尔的Li2CO3储量分别约为44.1 万t 与9 万t)[5,20,24]。 此外,川邛崃平落、鄂江汉潜江凹陷等地的地下卤水中的锂含量都已超过单独开采品位,但目前尚未规模化开发利用(该矿床类型已查明锂资源储量约占全国总储量的9%)[20,24]。
根据美国地质调查局(USGS)数据显示[25](见表2),截至2018 年底,全球已探明锂矿储量为1 400 万t(锂矿资源量为6 200 万t), 主要分布在阿根廷、津巴布韦、葡萄牙、智利、美国、中国、澳大利亚和巴西这8 个国家,其余各国储量较少。 其中,智利的锂储量最大,达800 万t,约占全球总储量的57.14%,排名世界第一;澳大利亚的锂储量约为270 万t,约占全球储量的19.29%,位居其次;阿根廷的锂储量约为200 万t,约占全球储量的14.29%,排名第三;中国排名第四, 约为100 万t, 占全球总储量的7.14%;最后是津巴布韦、葡萄牙、巴西与美国,其储量分别约为7 万、6 万、5.4 万、3.5 万t。 以上8 国锂矿资源储量总和为1 391.9 万t,约占世界总储量的99.42%。
目前,世界主要锂矿生产国有美国、阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、智利、中国、葡萄牙、纳米比亚和津巴布韦等国家,2018 年这些国家锂矿年产量总和约占当年世界总产量的99.65%,其他国家产量较少[25]。2018 年全球在产硬岩型锂矿主要为澳大利亚的Greenbushes、Mt Cattlin、Wodgina、Mount Marion 与Pilgangoora 锂辉石矿和津巴布韦的Bikita 透锂长石矿等矿山;卤水型锂矿则主要为智利的Atacama、美国的Silver Peak、阿根廷的Hombre Muerto 和Olaroz及中国的西藏扎布耶与青海察尔汗等盐湖[26]。 其中澳大利亚产量排名世界第一, 约占全球总产量的60%;紧随其后的国家是智利、中国、阿根廷与津巴布韦,其产量分别占当年全球总产量的18.82%、9.41%、7.30%与1.88%[25]。
表2 2019 年世界主要国家已探明锂矿储量与资源量概况[25]
从2009 年起, 世界锂矿产量有了显著提高[25](见表3)。 根据美国地质调查局(USGS)数据统计[25],2009—2018 年间,全球锂矿产量整体呈平稳上升趋势(除2015 年有小幅下降),年均增长率为18.82%,2018 年锂矿产量达到峰值,为8.5 万t。 与此同时,作为全球较大的世界锂矿资源大国,中国锂矿产量与世界总体保持平稳增长的趋势[27],9 a 间平均产量为0.47 万t/a,其中2018 年产量最高为0.8 万t,占当年全球8.5 万t 总产量的9.41%。
表3 2009—2018 年世界主要国家锂矿产量概况[25] 万t
根据中国有色金属工业协会锂业分会统计,目前中国已经成为名副其实的锂消费大国[17,28]。 全国锂资源消费集中在电池、润滑脂、陶瓷与玻璃、催化剂及医药等领域,其中电池领域消费占比较高[17,28]。
2007—2015 年,中国碳酸锂消费量由2.28 万t增长至7.87 万t,增幅高达245.18%,年均增长率为16.75%[17,28]。 其中,2007—2012 年在手机、 数码相机、 笔记本与平板电脑等3C 产品飞速发展的引领下,中国锂消费增长较快,从2.28 万t 增加到5.5 万t,年均增长率为19.26%[17,28];2009 年以来, 随着高端装备制造、 核电和战略性新兴产业的迅速崛起和2012年国务院《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020 年)》发布实施后新能源汽车的迅猛发展,锂在电池领域的消费逐渐超越润滑脂、陶瓷与玻璃等传统行业, 成为锂最主要消费领域[17,28];2013年,国内最主要锂产品为锂电池材料,约占35%[6];2014 年, 国内锂电池材料在锂产品中所占比例提升,约为47%,其次为润滑脂占18%、陶瓷与玻璃占14%[6,9];2015 年,电池领域消费持续上升,达到50.9%, 而润滑脂和陶瓷与玻璃等传统行业消费占比进一步下降至15.3%和12.8%[17]。
2017 年,中国锂消费量为12.47 万t,较2016年的9.33 万t 增长33.65%[29],其中电池领域用锂占67%,排名第一,成为近年来国内锂消费增长最快的领域(2013—2017 年该领域占比从35%提高到67%)[6,28]。
受资源条件所限,国内锂矿供应能力较弱,与快速增长的需求矛盾较为尖锐[28]。例如,中国卤水型锂矿多分布于区域交通、 电力等基础设施欠缺且生态环境敏感区,较不适宜建立化工企业[30];硬岩型锂矿主要分布于川西与赣宜春,川西海拔较高、基础设施较落后,锂矿开发利用较困难;而宜春锂云母提锂成本较高,其产能扩张受到铌钽等资源开发规模的严格限制[29]。 2012—2017 年中国碳酸锂消费量从5.5 万t 增长到12.47 万t,同期锂矿产量仅从1.8 万t 增加到3.4 万t, 资源缺口从3.7 万t 扩大到9.13 万t[28],需从国外大量进口锂辉石与高浓卤水锂矿,致使对外依存度高达80%,资源保障形势十分严峻[17,28]。
川甘孜、 阿坝锂辉石矿多分布于因高强度农林牧业开发导致山地植被覆盖条件差与水土严重流失[31]的高海拔地区,受自然条件恶劣与矿山基建薄弱影响[9],开发分散粗放、集中度较低[22,31];赣宜春锂云母矿品位偏低、成分复杂,成本与能耗偏高且生态环保压力较大,资源开发利用较困难[9];青柴达木盆地盐湖w(Mg)/w(Li)高达35~500,卤水锂含量远低于国外盐湖资源[9](如南美阿塔卡玛等盐湖LiCl 平均品位在6 000 mg/L 以上,w(Mg)/w(Li)仅为6.4,而察尔汗锂盐湖LiCl 品位仅为96.4 mg/L,w(Mg)/w(Li)却高达500,致使国内青柴达木盆地锂资源的开发平均成本达到4 万元/t,为南美优质锂盐湖的2 倍[29]);藏北盐湖地处青藏高原生态脆弱区,锂资源极易受低温雨雪天气(因光照不足导致Li+浓度低、蒸发慢)与高海拔等自然环境影响及晒盐池环保技术条件尚需解决的限制, 开发程度和开发进度缓慢,大规模集约化、工业化生产较难[22]。
与其他国家相比,中国锂资源得天独厚[22],但目前却是全球锂矿进口与消费大国。2014 年中国进口锂辉石精矿33 万t,进口含LiCl卤水0.6 万t[9];2015年中国锂矿供应结构为:进口锂辉石矿与高浓卤水锂矿分别占比70%与6%, 国内锂辉石矿和卤水锂矿分别占比8%与16%[17];2016 年碳酸锂进口量同比增长了397.18%[22];2017 年中国锂矿出口与消费共计15.63 万t, 而国内产量仅为3.15 万t,高达80%的锂资源严重依赖进口,对外依存度极高,资源保障形势非常严峻[29]。 与此同时,由于上游锂产品的70%掌握在澳大利亚Talison、智利SQM 与美国FMC等资源巨头手中, 下游锂离子电池技术日韩占据世界主导地位,致使国际碳酸锂市场垄断不断加剧,市场价格也不断攀升[17,22,32]。 近 几 年 以 碳酸锂为代表的锂矿价格虽然有走低的势头(2017 年11 月—2019 年6 月,中国市场的电池级碳酸锂价格从17.1 万元/t 逐渐下降到7.8 万元/t,跌幅高达55%[26]),但根据目前的发展趋势来看,中国锂消费可能长期保持高位运行,锂价上涨可能性较大,这势必对国内锂加工企业带来不利影响[33]。
目前,国内大部分锂矿企业规模较小,且多采用“资源-产品-废物排放”的粗放型开采模式,共伴生矿、尾矿的选冶回收与综合利用率较低[6]。 例如,与锂辉石、锂云母共伴生的铍铷铯铌钽等稀有金属矿未能综合利用[22];盐湖卤水中与锂伴生的钾镁钠铷铯溴硼钙等有益元素没有合理回收,致使所开发的锂产品种类单一、层次较低、提锂成本较大,且生产加工水平落后,使得锂资源浪费较为严重[6,34]。
经过多年发展, 中国已建成以硬岩-卤水提锂为基础,覆盖碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂与金属锂等系列产品及包含玻璃陶瓷、润滑脂、化工制药、储能、新能源汽车和消费电子等在内的锂产品终端应用领域为一体的较为完整的现代基础上中下游锂产业链[9,17,35],但由于对锂行业的市场管理起步较晚,现阶段锂资源的综合利用仍面临着一系列问题:1)受资源品质、提锂工艺、区位条件等因素制约,国内部分上游卤水提锂企业尚未形成规模化、集约化能力[35](如青柴达木盆地富锂盐湖w(Mg)/w(Li)较高,相关提锂工艺技术暂未达到工业化生产的成熟度;藏北受交通电力能源条件限制,大规模开采较难;川甘孜阿坝基础设施较差,开采与尾矿处理难度较大,环保问题较突出[32]);2)与美欧日韩等发达国家相比,国内高端锂产业自主核心技术匮乏,诸如金属锂、LiF、LiBr、LiCoO2等深加工锂产品科技含量较低、性能较落后,长期处于低中端市场水平[35-36];3)锂产业链上中下游各环节资源未能合理优化配置,致使各环节间锂产品供需矛盾较为突出、产业内部结构失衡现象较为严重[35]。
与世界先进国家相比, 国内中小型锂矿企业生产技术设备与加工工艺大都相对落后, 且缺乏较为完善的“三废”回收和处理配套设施,导致中国锂工业整体水平不高、 在锂矿生产过程中极易对环境造成污染[6,27]。 如有的矿业公司片面追求短期经济效益,乱采滥挖、采富弃贫、超标排放[27],且不注重开采后的治理,大部分矿山得不到复垦,对自然环境影响与破坏较大[33];有的矿山企业在对高镁锂比卤水进行煅烧法提锂时易产生大量尾气,如HCl 气体对人危害较大, 作为预处理试剂的盐酸在盐田中自然挥发,严重影响与破坏周边环境[6];有些生产厂家对硬岩型锂矿的开发尾矿堆放和“三废”排放不达标,致使地表自然景观遭到严重破坏及农业产量减少[22];此外,国内再生锂回收秩序较为混乱,许多回收厂家不具备处置废旧锂电池的能力,在运输、处置和二次利用生产过程中分解或水解出的氢氟酸和其他含氟化合物对环境具有一定的腐蚀性与毒性[32-33]。
中国锂矿资源潜力巨大[15]。 2019 年,中国硬岩锂(锂辉石)与卤水锂(LiCl)资源潜力分别为878 万t与9 250 万t, 而资源查明率仅分别为25.51%和19.0%[37]。 通过几轮地质大调查,中国虽已发现大量锂矿资源,但仍有不少空白区[15]。 因此,应根据锂矿地质构造背景与成矿时空分布规律, 加大基础性公益性地质勘探投入力度,采用新理论、新方法、新技术,加强矿产资源评价,规范矿业权市场,引导和推动商业性矿产资源勘查活动, 发掘新的锂矿资源潜力[33,38-39]。首先,要在重点区域展开深入勘查,积极发现新的锂矿资源, 如青藏高原锂资源勘查区宜重点寻找经济价值更大的碳酸盐型与低镁硫酸盐型富锂盐湖[19,33];其次,加强新疆阿尔泰-天山-昆仑山、松潘-甘孜、 东秦岭和华南锂资源勘查评价区等重点成锂带的普查与勘探,寻找新的矿床,并在诸如新可可托海、柯鲁木特、阿斯卡尔、川甲基卡、李家沟、党坝、扎乌龙、赣宜春、葛源、湘正冲和闽西坑等大型锂矿床深部与外围找矿, 提高矿山资源储量规模及其服务年限[19,33,39];最后,国家还应加快制定相关优惠政策,积极调动社会资金投入锂矿资源勘查,增加锂资源远景储量,保障国家能源战略安全[33]。
另外, 要解决中国锂矿石对外依存度过高的问题,更需根据新形势下世界锂资源的地质勘查状况,坚持“走出去”战略,鼓励和引导国内条件成熟的企业积极开拓海外锂资源市场, 寻求与建立境外稳定的锂矿资源供应基地[16,33]。 在当前“一带一路”倡议的背景下,主动加强与沿线锂资源丰富国家的沟通,引进对方国家先进的生产技术,将资源与技术、产业进行有效对接,实现双赢[16]。 例如:通过金融手段和技术合作形式介入阿根廷锂矿战略投资选区的合作与开发; 关注墨石哥沉积型锂矿远景区的矿业权招投标; 以技术合作形势参与智利和玻利维亚锂资源勘查开发及上下游产业链延伸; 合作建设塞尔维亚从勘查开发到下游产品冶炼加工的锂资源完整产业链;提早介入捷克锂矿资源勘查开发和综合利用;通过国际合作方式对阿富汗锂资源潜力区进行基础性地质调查等[40]。 还可以通过参股、控股、收购等资本输出方式组建大型跨国锂矿业集团积极参与亚非拉丁美洲锂矿开发,增强对海外优质锂资源的控制,加强中国在国际矿业贸易中的话语权与议价能力[9,12,33]。 这样做不但有利于降低对某些国家锂精矿的对外依存度、 控制锂价波动给全国锂产业带来的风险,而且对满足国内日益增长的锂资源需求、解决锂资源紧缺问题具有重大的现实意义[33]。
锂矿企业应由“资源-产品-废物排放”的粗放型开采模式转变为精细化、 高值化、 效益型开发模式,延伸从(开)采选(矿)冶(炼)到提(纯)合(成)回(收电池)一条龙服务的锂资源全方位综合利用产业链,促进锂产业多元化发展[6,22]。依靠优质大型国企,引导资源合理有效配置,提高产业集中度,推进国内拥有优质盐湖锂资源的西部与具有锂中下游产品开发、 精加工优势和市场的东部进行锂产业跨区域统筹联合发展与优化整合[20,22]。 上游对土地、水、矿产、植被等自然资源统筹管理, 中下游大力促进产业多元化与关联产业横向联合发展, 形成新能源集群产业[22]。 开创国内上中下游跨区域关联合作共赢新局面,融入“中国制造2025”国家战略布局,不断培育壮大全国锂资源战略性新兴产业[17,22]。 具体措施如下:以“开采科学、资源利用高效、生产工艺节能环保”理念建设绿色数字矿山[22];建立由科研院所、高等院校与国内骨干企业等组成的产业技术创新联盟,加大高w(Mg)/w(Li)盐湖卤水提锂与盐田初级分离工艺科技攻关[9,41];加强研究氢化分解-离子交换电池级碳酸锂生产工艺[42],积极推广蓝科锂业离子树脂交换吸附[43]、青海锂业离子选择迁移合成[44]、西藏锂业盐梯度太阳池[45]及中科院青海盐湖所选择性离子迁移分离等提锂先进技术[46];综合回收利用硬岩型锂矿中铍铌钽与卤水型锂矿中硼钠钾镁溴铷铯等诸多高价值元素,促进资源节约集约利用[17,34];以新能源、新材料、新药品等朝阳产业为方向,研发具有高附加值、多元化的锂产品[47],如大力发展高纯碳酸锂、氢氧化锂、磷酸铁锂、氟化锂等锂电材料及高纯氯化锂、 金属锂与锂基复合酯等高附加值深加工产品[9];成立锂电产业协同创新平台,推动上游原料供应商、 中游锂电生产企业与下游用户对动力锂离子电池技术、 高端新材料和终端应用技术进行深度合作与科技研发,特别是容量大、性能高的高端锂电研发, 为满足国内新能源汽车领域大规模应用扫清技术障碍[9,17,24,48];加强电池生产与回收企业合作,形成较为成熟的废旧锂电池处置与回收循环再利用体系[49]。
要解决锂矿开采与冶炼过程中日益突出的污染问题,需要国家与矿山企业共同努力[33]。国家应积极出台相关政策, 鼓励矿山企业尽快淘汰落后产能与技术装备,积极引进先进的生产工艺和设备,推行清洁生产[50];严格审核工业废弃物处理设备等配套装置,以实现后期废石、废渣、废气和废水的密闭回收与无害处理,减少自然环境的污染与影响[50];效仿世界先进国家对矿山企业征收环境保护税, 并将税收收入作为部分矿山复垦与自然环境恢复的专项基金[33]。矿山企业则要提高环保意识,积极主动研发改进先进设备与生产工艺, 努力提高锂矿资源利用率和回收率,并对产生的废石、废渣、废气和废水进行有效处理[27,33];与此同时,还需对矿山占用与破坏的土地进行复垦,对水土流失严重、植被退化与岩矿层采空区等一系列次生地质灾害进行勘查与整治,最终实现锂矿产业与自然环境和谐发展的新局面[27]。