研究背景
鋰（Li）是一種關鍵的能源材料，因其廣泛應用于電動汽車、電池儲能等領域而備受關注。與傳統的鋰提取技術相比，直接從鹽湖鹵水和地熱水等資源中提取鋰具有更高的效率和靈活性。然而，傳統的蒸發驅動法提鋰過程緩慢，水資源浪費嚴重，且在低鋰含量資源中的應用效果較差，這為鋰供應鏈帶來了巨大挑戰。近日，斯坦福大學Yi Cui（崔屹）院士團隊在“Nature Water”期刊上發表了題為“Spontaneous lithium extraction and enrichment from brine with net energy output driven by counter-ion gradients”的最新論文。該團隊設計了一種基于Li選擇性陶瓷膜與氯離子儲存銀電極的新型提鋰系統，實現了在無外部電能輸入的條件下進行自發的鋰提取。利用供液和接收液中氯離子濃度差所產生的巨大滲透能作為驅動力，成功實現了從模擬鹵水中提取鋰，并伴隨1.6Wh/molLi?1的能量輸出。實驗結果表明，該系統在300小時的運行過程中保持了高達450的鋰/鎂選擇性。此外，當鹵水中氯離子濃度遠高于鋰離子濃度時，系統甚至可以實現自發富集。這一研究不僅顯著提高了鋰提取效率，還展示了通過離子分離過程進行能量收集的潛力，為低碳、可持續的資源提取提供了新的技術途徑。
科學亮點
1. 實驗首次利用Gibbs–Donnan效應進行鋰自發提取，成功實現了從模擬鹽水中提取鋰，并同時產生了1.6Wh molLi?1的能量輸出。這一新穎的方法打破了傳統鋰提取過程需消耗能量的觀念。2. 實驗通過采用選擇性LAGP陶瓷膜和氯化銀電極對鋰進行提取，在300小時的持續操作中，鋰與鎂的選擇性高達450，接近單位法拉第效率。這一成果展示了在高濃度反離子（通常為氯離子）存在的情況下，鋰的自發富集成為可能。3. 研究表明，鋰提取過程中存在顯著的熱力學驅動力，其來源于進料和接收溶液中反離子的巨大濃度差。這一驅動力的量化描述與實驗結果相符，為鋰提取技術的發展提供了新的理論基礎。4. 該研究的概念和原理不僅限于鋰提取，還具有潛在的推廣應用價值，可為其他離子分離過程提供啟發，推動形成新的碳負資源提取領域，幫助應對全球對鋰的日益增長需求。
圖文解讀
總結展望
總之，作者提出了由對離子梯度驅動的自發離子分離的概念。通過理論與實驗，作者驗證了這一機制不僅能夠在鋰/鎂分離過程中產生能量，而且還顯示出從鹽水中自發富集鋰的潛力。使用LAGP作為鋰選擇性膜，作者的原型裝置在300小時的運行中保持了450的鋰/鎂選擇性和接近單位的法拉第效率，同時輸出1.6Wh/molLi的能量。本文中展示的原理為碳負面鋰提取鋪平了道路，這在以往并未被考慮。它還打開了隱藏在離子分離過程中的新能源源泉的門戶，這可以大大降低回收各種有價值元素的能量成本。 Zhang, G., Li, Y., Guan, X. et al. Spontaneous lithium extraction and enrichment from brine with net energy output driven by counter-ion gradients. Nat Water (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00326-2
