研究透视：盐湖提锂-Science评述
原创 今日新材料 今日新材料 2024年10月06日 00:01 北京
全球加速推动减少碳排放，正在推动清洁能源技术及其所需材料的大量需求。各国正在争夺锂、钴和稀土元素等关键矿物，以生产电动汽车、储能设备和其他低碳技术。目前大量研究集中在锂资源上，锂主要来源于锂辉石的坚硬岩石或天然盐湖——例如，在大陆沉积物中发现的含有锂和其他盐的溶液。然而，开采锂，通常涉及能源密集、费力的工艺过程。
在本期Science第1438页和第1444页上，分别报道了从淡盐水中，提取锂的有效方法。这些研究，为待开采的稀释盐湖水中，进行可持续开采提供了机会。
南京大学研究团队Science发文：清洁能源提取关键资源
研究透视：无膜解耦电化学-盐水提锂 | Science
锂资源扩张供应，以满足激增的需求，面临着几个挑战。硬岩开采是资本密集型的，环境负担重，而且规模扩大也很耗时。盐水提取虽然对环境危害较小，但速度较慢，需要大量的蒸发过程，需要数月甚至数年（见图）。从锂浓度较低的盐湖水中采矿加剧了这些挑战。新的方法，为加快盐湖水中锂的生产提供了潜在途径，包括目前尚未开发的稀有资源。在传统工艺中，地下盐湖水被泵送到地表，形成蒸发池，用于基于水的蒸发进行提取。有一套想法称之为直接提取锂，绕过了对蒸发池的需求，并采用吸附剂、电极或膜，以选择性地直接从地下盐湖水中分离出锂）。另一种方法，将蒸发池保持在适当的位置，但通过使用环境中可自由获得的能量，以加速蒸发过程。
图：盐湖提锂传统方法（上部），将地下盐湖水抽到蒸发池中，需要一年多的时间才能获得浓缩的锂溶液。直接锂提取方法（底部）通过使用吸附剂、电极或膜绕过长的蒸发过程。
Song等人采取了后一种策略，并增加了一个转换，将蒸发从本质上转变为直接提取锂的技术。作者没有将光热能量集中在空气-盐水界面以加速蒸发，而是利用太阳能通过蒸腾作用产生足够的压力——蒸腾作用是一种毛细管驱动的过程，将水从根部移动到植物表面进行蒸发——在基于薄膜的装置中。铝（Al）纳米颗粒修饰的氧化铝（Al2O3）膜进行纳米过滤，以从含有二价离子如镁离子（Mg2+）和钙离子（Ca2+）的盐水中，回收锂离子（Li+）。多孔二氧化硅玻璃料储存分离的锂盐。作者不仅在氯化锂（LiCl）和氯化镁（MgCl2）的模拟盐湖水中测试了该装置，而且在包含其他单价盐和混合阴离子的复杂真实盐湖水中测试了该装置。分离并不完美，但通过在几个阶段中连续进行相同的过程，锂的选择性，随着阶段的数量而显著增加。这表明进一步优化该方法，以用于实际应用的可能性。
作者通过Al/Al2O3膜中的高效光热转换，在1个太阳光照（光强为1 kW/m2）下，实现了80°C以上的温度。这使得蒸腾通量高于1升/平方米小时，并将连续的锂分离整合到该过程中。盐收集是蒸发过程中普遍存在的挑战。难以将盐沉淀局部化到所需位置。提取的锂盐，倾向于积聚在将盐水输送到系统中，并通过系统的孔中，或者积聚在需要光学获取阳光的光热材料的表面上。相比于盐回收困难的常规盐累积装置（例如离子交换膜），从二氧化硅玻璃料中再生锂是通过简单的水漂洗完成的，这可以在夜间，当盐产量较低时进行。
Li等人报道了一种完全消除蒸发和膜的电化学方法。作者使用称为“蓝色”能量的脱碳能量来抵消能量成本，该能量由渗透势（水分子从稀溶液移动到浓溶液的电势变化）产生。避免使用膜材料，降低了复杂性并提高了生产率。在电化学装置中，阴极（盐水进料）和阳极（提取溶液）隔室，仅通过电极之间的电连接而物理隔离。与盐水中的其他离子相比，磷酸铁（FePO4）电极有利于Li+的吸附，并且生成的磷酸铁锂（LiFePO4）电极，将Li+释放到提取溶液中。银/氯化银电极完成氧化还原反应。FePO4和LiFePO4电极在阴极和阳极隔室中，来回切换它们的位置，以交替地捕获和释放Li+。在模拟盐湖水和真实盐湖水中，都证明了对Li+的选择性。
Li等人方法的关键贡献是实验规模增加了五个数量级。这种中试规模的示范，在直接提取锂的研究中是罕见的，并为该工艺的可扩展性和经济性提供了有价值的见解。在含低于0.1%LiCl模拟盐湖水的中试试验中，作者获得了80%以上的锂回收率，这是向现实可行性迈出的令人印象深刻的一步。然而，提取的溶液需要用纳滤、反渗透、蒸发和pH调节进行处理，以除去二价阳离子，并增加锂的浓度。因此，当被视为一个完整的过程时，仍然需要各种消耗品。
然面，尚未回答的关键问题之一是，如何优化提取效率（回收锂的百分比），同时最大限度地减少对环境的影响，特别是在用水和土地方面。锂盐湖水通常在干旱气候中发现。对于南美洲阿塔卡马沙漠的当地来说，水是一种远比锂更珍贵的资源。因此，新技术必须优先考虑提高用水效率。必须克服技术障碍，包括开发更具选择性和耐久性的吸附剂或膜，以便从复杂的盐湖水化学物质中有效提取锂。此外，这些新方法的经济可行性，仍不确定。材料如Song等人使用的Al纳米颗粒和阳极Al2O3膜。以及Li等人使用的溶剂和银电极。通常是昂贵的且需要由具有相当性能的低成本材料来代替。展望未来，人工智能驱动的流程优化和生命周期以及技术经济分析，将创造更可持续和更具弹性的锂供应链，从而实现清洁能源转型。
文献链接
Seth B. Darling , The brine of the times. Science 385,1421-1422 (2024).
DOI:10.1126/science.ads3699
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads3699