科学家提出了基于LAGP膜的高效锂/镁分离技术！
文摘
2024-11-21 07:30
青海
锂（Li）是一种关键材料，广泛应用于可再生能源存储和电动汽车等领域，因而其需求迅速增加，成为了研究热点。然而，现有的锂提取方法，如蒸发法和化学沉淀法，存在生产效率低、环境影响大以及不适应低锂含量资源等问题。这些传统方法通常依赖水的蒸发，过程缓慢且不灵活，无法快速响应市场需求的变化，此外，蒸发法还会造成大量水资源的浪费和环境的破坏。有鉴于此，科学家们开始探索更高效、灵活且环境友好的锂提取技术。近年来，直接锂提取技术逐渐受到重视，尤其是电化学锂提取方法，因其能够实现更高的效率和更低的资本投入。研究者们提出了利用膜基技术，如电渗析和纳滤等，来提高锂的选择性和生产灵活性。然而，现有膜技术在锂与钠分离方面仍面临挑战，特别是在选择性和操作电压方面。在这一背景下，本研究通过发掘离子分离过程中的潜在能量源，斯坦福大学Yi Cui（崔屹）院士团队提出了一种新的自发锂提取方法，利用Gibbs–Donnan效应，成功实现了锂的高效提取并产生了能量。实验结果表明，使用选择性锂陶瓷膜和银电极，我们实现了从模拟盐水中提取锂，能量输出达到1.6 Wh molLi−1，并且在300小时的操作中保持了高达450的锂/镁选择性。这项研究不仅为锂供应链的重塑提供了新思路，也为所有离子分离过程的根本性变革奠定了基础。![]()
【图文解读】
（1）实验首次利用吉布斯-多南效应，实现了锂的自发提取，并成功获得了1.6 Wh/molLi的能量输出。该方法结合了锂提取和渗透能量收集，颠覆了传统观念，即离子分离和富集过程必然需要消耗能量。（2）实验通过使用锂选择性陶瓷膜（LAGP膜）和氯化银电极对模拟盐水进行锂提取，保持了高达450的锂/镁选择性，且在300小时的运行中实现了接近单位的法拉第效率。该系统在不同进料成分下的稳定性和高选择性得到了验证。（3）理论与实验结果表明，在进料盐水中，当反离子浓度远高于锂离子浓度时，甚至可以实现自发富集。这一发现为锂的可持续生产提供了新的思路，有望在未来改变锂供应链并推动所有离子分离过程的根本转型。（4）通过构建热力学模型，本文定量描述了自发锂提取过程中的驱动力，展示了该方法在提高锂提取效率、降低能耗方面的潜力。研究结果表明，锂的直接提取技术具有较高的经济性和环境友好性，适用于多种资源。![]()
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本文的研究成果揭示了自发离子分离机制在锂提取中的巨大潜力，尤其是在应对能源消耗问题方面。通过利用阴离子浓度梯度驱动的自发提取过程，该方法不仅实现了高选择性和高提取速率，而且在锂提取过程中产生了能量，而非消耗能量，这在现有的锂提取技术中是前所未有的。这一创新性原理为实现碳负锂提取铺平了道路，并开启了在离子分离过程中隐藏的新能量来源。这一机制可以被进一步扩展到回收其他贵重元素，从而显著降低相关的能源成本。此外，本文还提出了通过优化膜材料和电极结构来提高提取效率及稳定性的方法，这为未来的研究提供了可行的方向。原文详情：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
