碳酸锂

碳酸锂（lithium carbonate）是一种重要的无机化合物，具体来说，它是种碳酸的锂盐，化学式为 Li2CO3。这种外观呈现白色晶体的盐类，在多个工业领域和医疗应用中扮演着关键角色。

在工业应用方面，碳酸锂因其独特的物理化学性质而被广泛用于金属氧化物的加工处理。其中一项核心功能是作为助熔剂。当碳酸锂被加入到其他金属氧化物中并加热时，它能显著降低这些氧化物的熔点，促使它们在较低的温度下更容易熔化并形成均匀的混合物或玻璃相。这对于陶瓷和玻璃工业非常重要，添加碳酸锂不仅能降低生产所需的能量，还能改善成品的流动性、光泽度以及化学稳定性。

此外，在铝的电解生产过程中，碳酸锂的应用也极为关键。将其加入到电解液中，可以有效降低电解液的熔点，表示生产过程可在更低的温度下进行，而显著提高电流效率并降低能耗，实现更经济且环保的生产。除这些应用，碳酸锂也常用于制造特殊陶瓷、磁性材料，甚至是作为一些化学反应的催化剂。在高温下，它会分解产生高活性的氧化锂，进一步促进材料的合成和改性。

碳酸锂自1940年代后期因其抗躁狂效果被发现以来，就被确立为一种有效的精神药物。它主要用于治疗双相障碍等情绪疾患的躁狂发作和预防复发，帮助患者稳定情绪，改善生活品质。它已列入世界卫生组织基本药物标准清单之中。

## 用途

碳酸锂是一种重要的工业化学品，主要用途是作为锂离子电池所用的前体。

碳酸锂衍生的玻璃在烤箱制作中非常有用。碳酸锂是低温烧制和高温烧制陶瓷釉料的常见成分。它与二氧化硅及其他材料形成低熔点助熔剂。其碱性特性有利于改变釉料中金属氧化物着色剂的状态，特别是红色氧化铁(Fe2O3)。加入碳酸锂制备的水泥凝固更快，适用于瓷砖黏合剂。当添加到三氟化铝中时，它会形成氟化锂 (LiF)，而为铝的加工提供优质的电解质。

### 可充电电池

碳酸锂衍生的化合物对于制作锂离子电池非常重要。碳酸锂可转化为氢氧化锂，作为中间产物。实际上，电池的两个组件是由锂化合物所制成：阴极和电解质。电解质是六氟磷酸锂的溶液，而阴极则使用几种锂化结构，其中最常见的是钴酸锂和磷酸铁锂。

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### 医疗用途

碳酸锂于1843年被用于治疗膀胱结石。一些医生于1859年推荐使用锂盐疗法以治疗多种疾病，包括痛风、肾结石、风湿病、躁狂、忧郁和头痛。

澳大利亚精神医学家约翰·凯德于1948年发现锂离子具有抗躁狂作用。这一发现促使碳酸锂被用作精神药物，以治疗躁狂，即双相障碍的兴奋期。药房开具的处方碳酸锂适用于人类药用，但工业用碳酸锂则不适合，因为它可能含有不安全的有毒重金属或其他毒物。摄入人体内的碳酸锂会解离成具有药理活性的锂离子 (Li+) 和碳酸根（不具治疗性），其中300毫克的碳酸锂约含8毫莫耳当量的锂离子。根据美国食品药物管理局 (FDA) 的说法，成人双相障碍I型的维持治疗，通常每天需服用300–600毫克的碳酸锂两到三次。确切的剂量会因患者血清中锂浓度等因素而异，必须由医生密切监测，以避免锂中毒和锂导致的肾源性尿崩症所引起的潜在肾脏损伤（甚至是肾衰竭）。人体脱水和某些药物，包括像布洛芬这类的非类固醇抗发炎药 (NSAIDs)，会让血清中锂浓度升高到不安全的水平，而其他药物，例如咖啡因，则可能会降低其浓度。人体细胞有专门机制来调节元素离子钠、钾和钙，但目前没有已知专门用于调节细胞内锂的机制。锂可透过上皮钠通道进入细胞。锂离子会干扰离子转运过程（参见钠钾泵），这些过程负责传递和放大传送到脑细胞的讯息。躁狂与大脑中蛋白激酶C (PKC) 活性不规则增加有关。碳酸锂和丙戊酸钠（另一种传统用于治疗躁狂的药物）透过抑制大脑中PKC活性而发挥作用，并有助于产生其他同样抑制PKC的化合物。碳酸锂控制情绪的特性尚未被完全了解。

#### 健康风险

服用锂盐存在风险，会产生副作用。长期使用锂来治疗精神障碍，已知会导致后天性肾源性尿崩症。锂中毒会影响中枢神经系统和肾脏系统，并可能致命。长期使用会让锂积聚在肾脏集合管的主细胞中，并干扰抗利尿激素 (ADH)，该激素具有调节集合小管主细胞水通透性的作用。集合管系统的肾髓质间质天然具有高钠浓度并试图维持之。目前没有已知机制能够让细胞（肾脏集合管系统特定上皮细胞）区分锂离子和钠离子，因此如果由于脱水、低血钠症、异常低钠饮食或某些药物导致锂浓度过高，可能会造成肾元的损害。

### 让烟火呈现红色的效果

碳酸锂可让夜间施放于空中的烟火呈现红色的效果。

## 性质与反应

碳酸锂仅以无水形式存在，与会形成至少三种水合物的碳酸钠不同。碳酸锂在水中的溶解度较其他锂盐为低。从锂矿石的水溶液中分离锂，正是利用这种低溶解度。在二氧化碳的轻微压力下，其表观溶解度会增加10倍，这种效应是由于形成更易溶的不稳定碳酸氢锂所致：

Li2CO3 + CO2 + H2O ⇌ 2 LiHCO3

利用高压二氧化碳环境来萃取碳酸锂，并在减压时让其沉淀，是名为魁北克制程 (Quebec process) 生产碳酸锂工艺的基础。

碳酸锂也可透过利用其在热水中溶解度降低的特性进行纯化。加热饱和水溶液会让Li2CO3结晶。

碳酸锂和碱金属的其他碳酸盐不容易脱羧。Li2CO3在约1,300°C 的温度下会分解。

## 生产

锂主要从两种来源中萃取：伟晶岩矿床中的锂辉石，以及地下盐水池中的锂盐。全球于2020年约生产82,000吨的锂，显示出显著且持续的增长。

### 从地下盐水库中萃取

在智利北部阿塔卡马沙漠中的阿塔卡马盐沼 (Salar de Atacama)，碳酸锂和氢氧化锂是从盐水中所生产。

这个制程是将富含锂的盐水从地下抽出，泵入浅池中进行自然蒸发。盐水中含有许多不同的溶解离子，随着此类离子浓度增加，大部分的杂质（如普通盐类）会从溶液中解离，并下沉。剩余的上层清液（富含锂的部分）则用于下一个萃取步骤。浅池的排列顺序会因特定盐水源中离子浓度不同而有所不同的安排。

石盐（氯化钠或食盐）在第一个蒸发池中结晶。这种物质经济价值不高，会被丢弃。溶解固体浓度不断增加的上层清液，会陆续转移到钾盐矿（氯化钠钾，氯化钠和氯化钾的混合物）池、光卤石（氯化钾镁，氯化钾和氯化镁的混合物）池，最后进入一个最大限度提高氯化锂浓度的水池。整个过程大约需要15个月。浓缩物（30-35%的氯化锂溶液）会被卡车运到卡门盐滩。在那里将硼和镁去除（通常残余的硼透过溶剂萃取和/或离子交换去除，而镁则透过用氢氧化钠将pH值提高到10以上来去除）。在最后一个步骤，透过添加碳酸钠让所需的碳酸锂沉淀，再经分离和处理。

蒸发过程中产生的一些副产品也可能具有经济价值。

在这个水资源贫乏的地区，生产碳酸锂需用到大量的水而受到很大的关注。智利矿业化工集团 (SQM) 委托进行一项生命周期评估 (LCA)，结论是SQM生产氢氧化锂和碳酸锂的用水量，显著低于主要以锂辉石为原料的平均生产用水量。然而，一项更广泛的LCA则指出从盐水库中萃取锂的用水量则有相反的结果。

大多数从盐水生产锂的作业都集中在南美洲的锂三角地区（涵盖阿根廷、玻利维亚和智利的边界）。

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### 来自"地热"盐水

一个潜在的锂来源是经由地热井被带到地表的渗滤液。目前已证实可从这些盐水中萃取锂 - 透过简单的沉淀和过滤及分离即可。该制程和环境成本主要来自于已经运行的地热井。因此可能不会额外产生负的环境影响。

英国康沃尔锂业声称，位于雷德鲁斯（于英格兰康沃尔郡）附近的United Downs深度地热发电项目所渗出的盐水具有开发价值，因为其锂浓度高 (220毫克/升)，而镁含量低（<5 毫克/升），总溶解固体含量也低于29克/升，且流速为40-60升/秒。

### 从矿石中萃取

将α-锂辉石在1,100°C下烘烤1小时以制成β-锂辉石，然后在250°C下加入硫酸，烘烤10分钟，形成可溶于水的硫酸锂。之后，硫酸锂可以进一步处理，例如加入碳酸钠来沉淀出最终产品 - 碳酸锂。

截至2020年，澳大利亚是世界上最大的锂中间产品生产国，全部从锂辉石中萃取。

采矿公司于近年已开始在北美、南美和澳大利亚各地勘探锂项目，以找出具有经济效益的矿床，这些矿床有可能带来新的碳酸锂供应，以满足全球对锂相关产品日益增长的需求。

### 从黏土中萃取

特斯拉公司于2020年发表一项革命性的制程，仅使用盐而无需酸即可从内华达州的黏土中萃取出锂。但这项声明遭到质疑。

### 从废旧电池中萃取

一些小型公司正在回收废旧电池，重点是用来回收其中的铜和钴。有些公司也会同时回收碳酸锂以及化合物Li2Al4(CO3)(OH)12⋅3H2O。

### 其他

加拿大的多元化矿业公司MGX Minerals于2017年4月报告称，其快速锂萃取制程已经由独立机构证实，此制程可从开采石油和天然气的废盐水中回收锂和其他有价矿物。

曾有利用电渗析法从海水中萃取锂的报导，但目前并未达到商业化的程度。

## 天然存在

碳酸锂在自然界中以扎布耶锂矿的矿物形式存在，主要出现在盐湖和伟晶岩这两种地质环境中。

## 基本资料

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- 日语原文：碳酸锂
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- 域：Lithium carbonate
- IUPACName：碳酸锂
- 其他名称：Dilithium carbonate、Carbolith、Cibalith-S、Duralith、Eskalith、Lithane、Lithizine、Lithobid、Lithonate、Lithotabs Priadel及扎布耶锂矿
- ChemSpiderID：10654
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- ChEBI：6504
- 3D模型（JSmol）：Li+.Li+.O-C(O-)=O
- StdInChI：1S/CH2O3.2Li/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;2*+1/p-2
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- CASNo：554-13-2
- PubChem：11125
- RTECS：OJ5800000
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- 化学式：Li2CO3
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- SolubleOther：可溶于丙酮、氨,及乙醇
- SolubilityProduct：8.15−4
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- Viscosity：4.64 cP (777 °C)、3.36 cP (817 °C)
- MagSus：−27.0·10−6 cm3/mol
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- 熵：90.37 J/mol·K
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- GHSSignalWord："警告"
- HPhrases：302
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- ExternalSDS： ICSC 1109
- MainHazards：引发刺激
- FlashPt：不可燃的
- LD50：525 mg/kg (口服，大鼠)
- OtherCations：碳酸钠、碳酸钾、碳酸铷、碳酸铯