特別說明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
鋰是高性能電池不可或缺的組成部分，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)。鑒于全球常規(guī)鋰儲(chǔ)量（約2200萬(wàn)噸）預(yù)計(jì)到2080年將被耗盡，人們開始高度關(guān)注非常規(guī)鋰源的利用，包括含有超過2300億噸鋰的劣質(zhì)鹽水和海水。
關(guān)鍵問題
然而，鋰提取主要存在以下問題：
1、目前鋰提取過程中存在水資源和環(huán)境污染問題
由于鋰濃度低且干擾離子含量高，傳統(tǒng)的提取方法，如鈉石灰蒸發(fā)法，會(huì)造成大量水損失，加劇干旱地區(qū)水資源短缺，并且使用有毒化學(xué)品，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。
2、商用陰離子交換膜的離子選擇性較差
在搖椅法提取鋰的過程中，使用的商用陰離子交換膜通常具有較差的離子選擇性，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的離子返混，以及與苛刻的鹽水（具有高M(jìn)g/Li比和/或低鋰濃度的鹽水）不兼容，從而影響提鋰效率和選擇性。
新思路
有鑒于此，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Zhiping Lai（賴志平）、Kuo-Wei Huang（黃國(guó)維）等人描述了一種解耦無(wú)膜電化學(xué)電池，該電池在磷酸鐵電極之間循環(huán)鋰離子，其陰極（鹽水）和陽(yáng)極（淡水）隔室彼此隔離，但通過一對(duì)銀/銀鹵化物氧化還原電極電化學(xué)連接。該設(shè)計(jì)適用于鎂/鋰摩爾比高達(dá)3258且鋰濃度低至0.15 毫摩爾的苛刻鹽水，從而能夠生產(chǎn)電池級(jí)（純度>99.95%）碳酸鋰。通過高效收集鹽水的滲透能，可節(jié)省高達(dá)~21.5%的能源。使用電極表面積為33.75平方米的中試電池可從死海鹽水中提取鋰，回收率為84.0%。
技術(shù)方案：
1、設(shè)計(jì)了解耦無(wú)膜鋰提取電池
作者創(chuàng)新地開發(fā)了一種無(wú)膜電池技術(shù)，通過FePO4/LiFePO4和Ag/AgX電極對(duì)從鹽水中提取鋰，同時(shí)收集滲透能，提高能源效率。
2、探究了無(wú)膜電池技術(shù)鋰提取性能
作者開發(fā)了新型解耦無(wú)膜電池技術(shù)，通過FePO4/LiFePO4和Ag/AgX電極對(duì)提取鋰，實(shí)現(xiàn)高選擇性和能源效率，鋰回收率高達(dá)92.6%。
3、通過中試規(guī)模建立證實(shí)了無(wú)膜電池系統(tǒng)的實(shí)用性
作者成功開發(fā)并測(cè)試了一個(gè)試驗(yàn)規(guī)模的解耦無(wú)膜電池系統(tǒng)，用于從模擬死海鹽水中提取鋰，實(shí)現(xiàn)了84.0%的鋰回收率，并生產(chǎn)出符合電池級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的Li2CO3。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、實(shí)現(xiàn)了從苛刻鹽水中提取鋰
作者開發(fā)了一種無(wú)膜解耦電化學(xué)工藝，能夠從鋰濃度低至約0.15 mM的苛刻鹽水中提取鋰，同時(shí)利用滲透勢(shì)大幅降低能耗。這種工藝不僅解決了傳統(tǒng)膜技術(shù)中存在的結(jié)垢問題，還減少了對(duì)昂貴預(yù)處理步驟的依賴，提高了整體工藝的能源效率和經(jīng)濟(jì)性。
2、證實(shí)了無(wú)膜解耦電化學(xué)工藝在實(shí)際應(yīng)用中的可行性
作者展示了使用電極表面積為33.75平方米的中試電池從死海鹽水中提取鋰的可行性，回收率可達(dá)到84.0%。
技術(shù)細(xì)節(jié)
解耦無(wú)膜鋰提取電池的設(shè)計(jì)
作者開發(fā)了一種新型解耦無(wú)膜電池技術(shù)，用于從天然含鋰鹽水中提取鋰。該技術(shù)采用物理隔離但電化學(xué)連接的陰極室和陽(yáng)極室，通過FePO4/LiFePO4和Ag/AgX電極對(duì)實(shí)現(xiàn)鋰離子和鹵素陰離子的轉(zhuǎn)移。在陰極室，Li+離子插入FePO4轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)iFePO4，同時(shí)形成AgX；在陽(yáng)極室，LiFePO4釋放Li+，AgX還原為Ag和X?。總反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了從鹽水中提取LiX。此外，利用Ag/AgX電極對(duì)X?濃度的依賴性，開發(fā)了一種滲透能量收集方法，通過測(cè)量不同濃度鹽水的開路電位和峰值功率密度，驗(yàn)證了滲透能收集的可行性。該技術(shù)在提取鋰的同時(shí)，還能收集滲透能，提高了能源效率。
圖 藍(lán)色能量輔助電化學(xué)鋰提取
鋰提取性能
作者開發(fā)了一種新型解耦無(wú)膜電池技術(shù)，通過FePO4/LiFePO4和Ag/AgX電極對(duì)，從天然含鋰鹽水中提取鋰。FePO4電極因高插入電位優(yōu)先吸附Li+，實(shí)現(xiàn)高選擇性鋰提取。實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)能有效從低至0.71 mM的鋰濃度溶液中提取鋰，且鋰提取率和選擇性高，性能與人造鹽水相當(dāng)。此外，利用Ag/AgX電極對(duì)X?濃度的依賴性，開發(fā)了一種滲透能量收集方法，通過測(cè)量不同濃度鹽水的開路電位和峰值功率密度，驗(yàn)證了滲透能收集的可行性，滲透能占總能耗的21.5%。長(zhǎng)期測(cè)試中，電極浸出率低，鋰回收率達(dá)92.6%。經(jīng)過1600小時(shí)測(cè)試，庫(kù)侖效率接近100%，F(xiàn)ePO4/LiFePO4電極容量保持率在200次和1000次循環(huán)后分別為>91%和55%，表明該技術(shù)具有高穩(wěn)定性和升級(jí)潛力。
圖 臺(tái)式DCMF電池的鋰提取性能
中試規(guī)模原型
作者構(gòu)建了一個(gè)試驗(yàn)規(guī)模的解耦無(wú)膜電池系統(tǒng)，用于從模擬死海鹽水中提取鋰，其規(guī)模是臺(tái)式裝置的100,000倍。該系統(tǒng)由四個(gè)1.0立方米的方形水箱組成，通過西門子可編程邏輯控制器協(xié)調(diào)五個(gè)單元操作。實(shí)驗(yàn)中，鋰的回收率達(dá)到84.0%，鋰濃度在112次循環(huán)后達(dá)到99.21 mM。鋰的提取能耗為每循環(huán)46011.16焦耳，其中滲透能占總能耗的15.23%。鋰沉淀后，通過納濾濃縮、反滲透和太陽(yáng)能蒸發(fā)，最終得到3.175千克的Li2CO3，總鋰回收率為86.5%。X射線衍射和ICP-OES分析證實(shí)了產(chǎn)品的純度符合電池級(jí)Li2CO3標(biāo)準(zhǔn)。中試提取的總能耗為每千克Li2CO3 11.59千瓦時(shí)，其中與鋰提取直接相關(guān)的能耗僅占17.01%，表明該技術(shù)具有潛在的商業(yè)可行性。
圖 中試規(guī)模 DCMF 工藝的鋰提取性能
展望
總之，本工作開發(fā)了一種DCMF電池設(shè)計(jì)，可用于從劣質(zhì)鹽水中提取鋰，有效利用滲透勢(shì)來(lái)降低系統(tǒng)能耗。提取成本與從傳統(tǒng)資源中提取鋰的成本相比具有競(jìng)爭(zhēng)力，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且易于升級(jí)。
參考文獻(xiàn)：
ZHEN LI, et al. Lithium extraction from brine through a decoupled and membrane-free electrochemical cell design. Science, 2024, 385(6716):1438-1444
DOI: 10.1126/science.adg8487
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8487#tab-contributors
