在满足全球对锂的日益增长需求的竞赛中——锂是电动汽车电池中的关键成分——一组研究人员开发了一种突破性的锂提取方法，这可能会重塑这一行业。在他们的研究中，研究人员通过重新利用固态电解质（SSE）作为水相锂提取的膜材料，展示了近乎完美的锂选择性。虽然SSE最初是为固态电池中锂离子的快速导电而设计——那里没有其他离子或液体溶剂——但发现SSE高度有序和受限的结构能够在水相混合物中实现前所未有的离子和水的分离。
在他们发表在《科学进展》上的研究中，研究人员通过重新利用固态电解质（SSE）作为水相锂提取的膜材料，展示了近乎完美的锂选择性。虽然SSE最初是为固态电池中锂离子的快速导电而设计——那里没有其他离子或液体溶剂——但发现SSE高度有序和受限的结构能够在水相混合物中实现前所未有的离子和水的分离。
这一发现为可持续资源回收提供了潜在的突破，减少对传统采矿和提取技术的依赖，这些技术既耗时又对环境造成危害。
“挑战不仅仅在于增加锂的生产，而在于以可持续和经济的方式进行生产，”对应作者、土木与环境工程领域的南希和克林特·卡尔森教授梅纳赫姆·埃利梅莱赫表示。
为了使锂提取更具环境可持续性，研究人员一直在探索直接锂提取技术，这些技术从非常规来源如油气产生的水、工业废水和地热盐水中回收锂。然而，这些方法在离子选择性方面面临挑战，特别是在尝试从类似大小或电荷的其他离子如镁和钠中分离锂时。
埃利梅莱赫及其团队开发的新方法基于SSE与传统纳米多孔膜之间的根本差异。传统膜依赖于水合的纳米级孔隙来传输离子，而SSE则通过高有序的晶体格子内的无水跳跃机制运输锂离子。
“这意味着锂离子可以通过膜迁移，而其他竞争离子甚至水都被有效阻挡，”第一作者索胡姆·帕特尔说，他现在是麻省理工学院的博士后研究员。“我们基于SSE的方法提供的极端选择性，使其成为一种高效的锂收集方法，因为仅需消耗能量来移动所需的锂离子通过膜。”
这支研究团队还包括阿皮塔·伊迪亚、魏毅·潘和简浩·钱，都是埃利梅莱赫实验室的博士后研究员——使用电渗析设定测试这一现象，在电场作用下推动锂离子穿过膜。结果令人惊讶：即使在高浓度竞争离子的情况下，SSE也始终表现出近乎完美的锂选择性，在产品流中没有检测到竞争离子——这是传统膜技术无法实现的。
通过结合计算和实验技术，研究团队调查了为什么SSE表现出如此显著的锂离子选择性。研究结果表明，SSE的坚固且紧密的晶体格子阻止了水分子和较大离子如钠通过膜结构。同时，镁离子与锂离子的电荷不同，因此也被发现与晶体结构不兼容，从而被拒绝。
“晶格充当了一个分子筛，只允许锂离子通过，”埃利梅莱赫说。“这种高度精确的尺寸和电荷排斥的组合使得SSE膜是如此独特。”
研究人员指出，虽然竞争离子没有渗透到SSE中，但它们在原料溶液中的存在通过阻塞可用于离子交换的表面位点，减少了锂通量，研究人员认为这一挑战可以通过进一步的材料工程来解决。
随着锂短缺的临近，依赖锂离子电池的行业，包括汽车、电子和可再生能源部门，正在寻找额外的锂来源和更可持续的提取方法。基于SSE的膜可能在确保稳定的锂供应中发挥关键作用，而不需要传统采矿对环境造成的损害。
“通过将SSE集成到电渗析系统中，我们可以实现从多种水相源中直接提取锂，减少了大型蒸发池和化学密集型纯化步骤的需求，”帕特尔说。“这可能显著降低锂生产的环境足迹，同时提高过程的效率。”
研究结果还暗示SSE在离子选择性分离方面可广泛应用于锂以外的其他元素。
“在SSE中，离子选择性的机制可能会激发类似膜的开发，以从水源中提取其他关键元素，”埃利梅莱赫说。“这可能为资源回收开辟一种新类型的膜材料。”
