锂电的前世竟是个“江湖郎中”

来源:科普中国发布时间:2019-04-01

元素锂能有今天的出头之日,应当感谢瑞典的一个小学徒。

  在现代社会,锂电大行其道。从心脏起搏器到智能手机,从深海潜水器到载人航天器……锂电池可是出尽了风头!金属锂作为锂电池的核心要素,自然就成为了备受推崇的“动力王子”。 

  说起锂,科学家认为它是一个神秘的元素。在自然界,锂元素也算上是一个古老的寿星了。包括氢、氦、锂在内的轻元素,是在宇宙诞生之后极短的时间内由原初的核反应产生的。经过几十亿年的演化,才最终形成了现在的星系和恒星。 

漂浮在油中的锂(图片来源:https://www.cornishlithium.com/lithium-faq/) 

  掐指算来,锂元素已经在宇宙中存在了大约137亿年的时间。然而,科学家一直没有搞清楚它的起源和生成过程。 

  从石头中走出来的锂 

  元素锂能有今天的出头之日,应当感谢瑞典的一个小学徒。这位小学徒就是阿尔费德森(1792-1841),他是化学大师贝齐里乌斯(1779-1848)的得意门生。阿尔费德森是锂元素的发现者,因此是锂元素飞黄腾达的第一个“贵人”。 

  1817年的一天,阿尔费德森从朋友那里得到了一块石头,是来自瑞典的一块透锂长石。阿尔费德森如获至宝,并对透锂长石进行了分析研究。结果发现,石头中含有80%的氧化硅和17%的硅土 ,那么缺失的3%是什么呢?阿尔费德森穷追不舍,最终确认这是一种尚未被发现的新元素。 

阿尔费德森(图片来源:es.slideshare.net) 

  阿尔费德森把这个发现和想法告诉了他的导师,贝齐里乌斯把这一新元素命名为lithium(英文), 来源于希腊语lithos(意为石头)。然而,由于阿尔费德森并没有从锂盐中分离出金属锂来,所以并没有为锂元素的应用带来新的突破。 

  由于锂具有相当高的反应性,因此不允许锂以自由形式存在于自然界。自然界主要的锂矿物为锂辉石、锂云母、透锂长石和磷铝石等。按照规范,锂(Li)是一种银白色的金属元素,与锂盐具有不同的含义。锂盐为锂的盐类化合物,如透锂长石的主要成分为LiAlSi₄O₁₀;锂辉石的主要成分为LiAlSi2O3,这些都是天然的锂盐。像碳酸锂、氯化锂、柠檬酸锂等,都属于人造的锂盐。纯锂金属是通过电解由熔融氯化锂和氯化钾的混合物生产的。 

宝石级锂辉石的颜色品种(图片来源:https://geology.com/minerals/spodumene.shtml) 

  1855年,德国化学家本生和英国化学家马提生通过电解氯化锂才获得了大量的金属锂。1923年,德国的一家公司才开始锂的商业化生产。 

  需要说明的是,在一般的大众化语境中,锂的含义可能更广一些,既可以是金属锂,也可以是锂离子,还可以是锂盐。 

  商业化生产中的大起大落 

      1.出现之初人气爆棚 

  相对于如今锂的电池应用,人们在健康和医学方面的探索却经历了更加曲折的历程。锂元素曾被当作一种灵丹妙药,被应用于饮料和代用食盐等食品领域。 

  1929年,美国含有复合柠檬酸锂的饮料开始销售,并在市场上引起了不小的轰动。该饮料击败了600家柑橘味苏打水竞争对手,并在1936年成为了市场的领导者。 

锂元素(图片来源:investorintel.com) 

  据美国《赫芬顿财经》报道,这种含锂饮料是由“七喜”创办人查尔斯•格里格(Charles Grigg)发明的。这种含锂饮料最初的名字为“Bib-Label liated Lemon Soda”,意思是“Bib-Label锂化柠檬味苏打水”。上市不久,格里格决定将他的发明重新命名为“七喜”(7Up)。 


7Up饮料广告(图片来源:atticpaper.com) 

  那么发明者为什么要在饮料中添加柠檬酸锂呢?在当时,人们对锂盐的疗效深信不疑,因此对富含锂的天然水十分推崇。此前有人发现,那些供水中含有天然锂元素的地区,抑郁症和自杀率要比其他地区低。而柠檬酸锂是19世纪末和20世纪初十分流行的专利药品之一,主要用于多种心理疾病的治疗。格里格别出心裁地把柠檬酸锂与软饮料联系了起来,并把柠檬酸锂作为一个“卖点”。 

  但7Up中的锂盐也许并不是为了预防和治疗抑郁症。其实7Up最初的定位据说是治疗宿醉。所谓宿醉,是指人们在饮酒后出现的一系列生理和心理上的不愉快的体验。这是由于人们在短时间内摄入大量酒精或含酒精饮料,而出现的中枢神经系统功能紊乱状态。事实证明,7Up中的柠檬酸锂为一种情绪稳定剂,有利于解除宿醉状态。这样一来,7Up就很快成为了宿醉患者的首选饮料! 

  2.锂盐出现安全问题 

  自19世纪锂盐首次用于痛风和风湿病以来,锂盐的医疗用途已经有了很大的发展,但锂盐的安全问题受到了人们的关注。 

  20世纪40年代,锂盐在食品中的使用遇到了“红灯”。此前含锂矿泉水以及饮料往往只含有微量的锂,因此高浓度锂的危险性没有被重视。高盐(氯化钠)摄入是高血压的主要原因之一,过量钠还会损害人们的肾脏。因此有医生为高血压和肾衰竭病人开具锂盐处方,用氯化锂来取代膳食食盐。然而用无限量的氯化锂作为代用食盐的问题就来了,许多关于严重锂副作用以及部分死亡的报告向人们敲响了警钟。 

  这些负面报告严重影响了锂的公众形象,并使其背上了不好的名声。1948年,美国食品及药品监督管理局对锂盐疗法发出了禁令,并禁止生产商在啤酒与饮料中加入锂盐,这使得“七喜”最终改变了其饮料配方。 

  从无序到有序——锂盐在医药领域的突破 

  以“石头”著称的锂元素,一直被神秘的面纱笼罩着。尽管锂盐应用于精神疾病治疗走过了一段怪异之路,但是锂盐在当今的精神药物中仍然占有一席之地。 

凯德博士(图片来源:https://www.news.com) 

  之所以说锂盐走过了一段怪异之路,是因为这个故事从一个错误的假设出发,走过了极其漫长的怪异旅程,最后却以一种传奇药物结束。 

  1.锂盐疗法溶解尿酸? 

  1859年,英国的一名医生加罗德爵士( 1819-1907)曾在痛风病人的血液中发现了尿酸,并错误地认为碳酸锂可以溶解体内的尿酸。他是明确尿酸在情感障碍中作用的第一人,也是建议将锂作为一种药物使用的第一人。 

    

加罗德(图片来源:http://inhn.org) 

  其实,尿酸是食物中嘌呤代谢的产物,沉积在关节中就会引起痛风症状。用锂盐溶解痛风患者体内的尿酸并没有显著的效果。也就是说,锂盐并不能缓解痛风的症状,然而它却让躁狂痛风患者平静了下来。后来,学界对“尿酸素质”概念提出了批评,并把锂盐疗法视为无稽之谈。 

  2.碳酸锂治疗躁郁症 

  在锂盐疗法销声匿迹大约50年之后,凯德的开创性工作奠定了锂盐在精神药物中的地位。凯德( 1912 - 1980)是一名澳大利亚的一名精神病学家,将碳酸锂用于失衡心灵的修复,从而做出了影响世界精神健康的重要医学发现。 

碳酸锂(图片来源:维基百科) 

  在二战期间,凯德博士在日本人建造的樟宜(新加坡)战俘营里度过了3年多的时间。他是一个战俘,又是一名医生。他所经历的精神痛苦,激发了他对躁狂和抑郁病人的关注。回到澳大利亚之后,凯德经过短暂康复就到一家精神病院任职了。 

约翰·凯德(图片来源:https://www.smh.com) 

  凯德博士在一个未用的厨房里进行相关的实验,并发现了锂盐可以用于治疗躁郁症。当时,他给豚鼠注射尿液,观察它们的古怪行为。并发现一剂碳酸锂就能让豚鼠平静下来,从而进入到昏昏欲睡的状态。在精神疾病的治疗方法中,碳酸锂是第一种有效的治疗药物。目前药用制剂主要为碳酸锂片剂及胶囊,还有枸橼酸锂糖浆、醋酸锂和溴化锂等。 

凯德的简陋实验室(图片来源:https://www.news.com) 

  尽管凯德的发现看起来很有希望,但是锂的副作用还是一个大问题。经过许多科学家的努力,最终证实了锂的治疗效果。20世纪60年代,锂盐的使用彻底改变了躁郁症的治疗。1970年,凯德获得了美国精神病学奖,并成为了美国精神病学协会的杰出会员。 

  凯德的工作拯救了无数不安定的灵魂,为世界节省了至少175亿美元的医疗费用(1985年数字)。1976年,在纽约大学医学院举行的国际锂会议上,凯德作为特邀嘉宾出席会议。 

  从1817年发现锂元素,到碳酸锂走进躁郁症治疗。锂元素的应用走过一条曲折的道路,但都没有颠覆“江湖郎中”的形象。而锂元素用于治疗疾病从无序到有序的演变,则凝聚了几代科学人的勇气和智慧。 

    

  参考文献:    

  [1] 徐德海,李绍山等.《化学元素知识简明手册》,化学工业出版社,2011年版。 

  [2](美)迈耶斯著,周子平译.《现代医学的偶然发现》,北京:生活读书新知三联书店,2011年版。 

  [3]https://io9.gizmodo.com/gout-urine-and-guinea-pigs-the-weird-history-of-lith-1701342184 

  [4]http://adb.anu.edu.au/biography/cade-john-frederick-joseph-9657 

  [5]https://www.thevintagenews.com/2017/01/16/when-7-up-was-created-in-1929-it-contained-lithium-a-mood-stabilizing-drug/ 

  [6]https://www.huffingtonpost.com/2014/09/17/7up-history_n_5836322.html 

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