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【科技】南京大学周豪慎/何平，今日最新Nature！

科技   2024-12-12 13:11   北京  

第一作者：杨思勰，王义钢
通讯作者：周豪慎，何平
通讯单位：南京大学

【成果简介】
在追求环境可持续性的过程中，对电动汽车和可再生能源技术的需求不断上升，这大大增加了对高效锂提取方法的需求。传统的锂生产依赖于地理上集中的硬岩矿石和盐湖水，这与相当大的能源消耗、温室气体排放、地下水枯竭和土地干扰有关，从而带来了显著的环境和供应链挑战。另一方面，沉积水、地热流体、油田产出水、海水以及一些盐湖卤水和盐湖，因其庞大的储量和广泛的地理分布而拥有巨大的潜力。然而，由于锂浓度低和镁锂比高，从这些来源提取锂面临着技术挑战。

在此，南京大学周豪慎教授和何平教授等人探讨了从这些要求苛刻但有希望的来源中提取锂的最新进展和持续挑战，涵盖了包括沉淀、溶剂萃取、吸附、基于膜的分离和基于电化学的分离等多种方法。此外，作者分享了对锂提取技术未来发展的看法，这些看法基于分离过程的基本原理，目的是鼓励开发能够利用海水巨大潜力的创新提取方法。

相关研究成果以“Lithium extraction from low-quality brines”为题发表在Nature上。

【研究内容】
锂作为质量最轻的金属元素之一，具有最低的电化学电位，它在宿主材料内支持快速且可逆的插层反应，具有显著的稳定性，这使得它对锂离子电池的生产至关重要。除了为电动汽车提供动力外，锂离子电池对于与风能和太阳能等可再生能源相连的电网储能也至关重要，从而支持全球减少碳排放和促进能源可持续性的努力。这些优势推动了锂离子电池行业的显著扩张，导致过去十年锂产量增加了六倍，最初由电子行业推动，迅速转变为电动汽车行业的主导。尽管出现了氢燃料电池和钠离子电池等新兴电池技术，但由于它们的能量密度和效率更高，预计锂离子电池在近期和中期仍将占据主导地位。因此，预测显示从2023年到2050年，锂需求将增加八到十倍。这一增长主要由电动汽车行业推动，预计该行业将占增长的90%，同期可再生能源应用将增加十倍。

预测表明，即使所有计划中的项目都完成，现有的锂供应可能最早在2029年就无法满足需求。此外，根据当前情况，到2050年仅电池行业的需求就可能耗尽现有锂储量的74-248%，凸显了可持续锂资源的关键短缺。目前，世界上大部分锂供应来自硬岩矿石和盐湖海水。然而，现有的从这些来源提取锂的方法能耗高且对环境不友好。据估计，每生产一吨碳酸锂当量的锂，可能产生3-17吨二氧化碳。这些采矿活动还因硬岩矿石开采移除土壤或为卤水蒸发建造池塘而扰乱大片土地，改变地貌，可能导致原生物种的栖息地丧失和生物多样性降低。此外，传统的从海水中提取锂的方法涉及大量水分的蒸发，耗时且无法适应锂需求的突然波动。这一程序还引发了关于潜在地下水枯竭的严重担忧。尽管富含矿物质的海水不能用于农业或饮用，但海水提取减少了可用水的总体积，并可能随着时间的推移用含盐水污染淡水储备，使它们不适合饮用或农业用途。

为了有效解决锂短缺问题，更重要的是探索创新的锂提取途径，特别是从卤水中提取，其庞大的未开发储备可能大大缓解供应担忧。这里提出的“低品质卤水”概念，即锂浓度低于0.26 g/l，或镁锂比（Mg/Li）高于6.15的卤水资源。然而，传统的蒸发-沉淀法在提取低品位源的锂时面临效率低下的问题，主要是因为与当前锂储量相比，它们的锂浓度较低，共溶解元素（如钠、钾、钙和镁）的水平较高。为了克服这一挑战，已经提出了包括增强现有蒸发-沉淀技术的方向性举措和创新直接锂提取（DLE）新技术。前者专注于推进预浓缩方法和引入具有改进选择性的新沉淀剂，而后者涉及可以直接从卤水中提取锂的创新方法，无需预浓缩。
图1. 低品质卤水的巨大储量和现阶段局限性。

作者描述了使用低品质卤水提取锂的研究进展，根据它们的操作原理组织技术方法，包括沉淀、溶剂萃取、吸附、基于膜的分离和基于电化学的分离，其分析旨在提供对这些技术的机制洞察，旨在提供基于最近文献的广泛数据收集和分析的全面概述，最终寻求鼓励开发可扩展且环保的方法，利用低品质卤水的锂潜力。
图2. 全球主要含锂水体的锂浓度和镁/锂比值。
图3. 基于相生成和添加策略的锂离子提取方法。
图4. 基于膜的锂提取分离技术。
图5. 基于电化学方法的锂离子提取方法。
图6. 锂提取的基本原理。

为了在未来的发展中提高锂的选择性，无论是通过改进现有方法还是创新新方法，还是利用独特的离子属性来最大化目标离子和共溶解离子之间的差异是至关重要的。除了目前在图6中展示的属性之外，其他属性如电荷-质量比和离子重量（或相应盐的分子量）也可能被用来开发创新的锂提取技术。此外，低品质卤水的特征高Mg/Li比率和低锂浓度需要大量的能源投入。因此，探索新的、成本效益高的能源来源至关重要，这些研究成功地使用了太阳能电压驱动的电渗析，实现了高效且经济的锂提取。通过在这些领域的持续研究和开发努力，从低品质卤水中提取的锂将成为可持续锂生产和使用的重要贡献者。这反过来将确保能源存储系统的可靠供应，并促进全球向更清洁、更可持续的能源未来的转变。

【文献信息】
Sixie Yang, Yigang Wang, Hui Pan, Ping He, Haoshen Zhou, Lithium extraction from low-quality brines, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-08117-1


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