研究人员设计了一种开创性的电化学反应器，从天然盐水溶液中提取锂。这项创新为满足不断增长的锂需求提供了有希望的解决方案，尤其是用于可充电电池中。
来自莱斯大学的研究团队，在莉莎·比斯瓦尔和郝天的指导下，推出了一种新型电化学反应器，旨在从天然盐水溶液中提取锂。这一进展在《美国国家科学院院刊》上发布，对于可再生能源存储和电动汽车应用具有相当大的潜力。
锂是可再生能源存储和电动汽车中使用的电池的关键。然而，传统的锂提取技术遇到了各种困难，比如过高的能耗和从其他元素中分离锂的复杂性。天然盐水——自热地点的咸水——正在成为锂的优选来源，因为传统的矿石提取变得越来越困难和昂贵。然而，这些盐水中还含有钠、钾、镁和钙等离子，这些离子的化学性质与锂极为相似，使得分离变得复杂。由于锂和这些离子的离子大小和电荷相似，传统的分离方法通常缺乏必要的选择性，导致能耗和化学废物增加。此外，盐水中高浓度的氯离子在电化学过程中可能产生有害氯气，这也使提取过程中存在额外的安全问题。
莱斯大学的工程团队通过创建一种独特的三室电化学反应器来解决这些挑战，从而提高从盐水中提取锂的选择性和效率。与传统技术相比，这种创新的反应器包括一个填充了多孔固体电解质的中间室，有效控制离子流动，同时防止盐水流经时发生不必要的化学反应。阳离子交换膜起到防止氯化物的屏障作用，阻止它们到达可能产生氯气的电极区域，从而减少有害副产品。实现精确锂提取的核心技术是位于电解器另一侧的专用锂离子导电玻璃陶瓷（LICGC）膜，该膜选择性地允许锂通过，同时阻挡其他离子。LICGC膜的卓越离子导电率和选择性对于保持高效率至关重要，因为它显著减轻了来自天然盐水中其他离子（如钾、镁和钙）的干扰。尽管LICGC膜通常用于固态锂离子电池，但这种选择性锂提取方法展示了该材料先进的离子导电性和选择性的创新和有效应用。
“我们的方法不仅实现了高纯度的锂，而且减少了与传统提取方法相关的环境风险，”该研究的主要作者、比斯瓦尔实验室的研究生冯宇哲说。 “我们开发的反应器旨在减少副产品的形成，并提高锂的选择性。”
该反应器显示出卓越的效果，达到了97.5%的锂纯度。这表明，该系统可以成功地将锂从盐水中的其他离子中隔离开，这是生产高质量氢氧化锂（电池生产的关键成分）所必需的。此外，新的反应器设计显著减少了氯气的产生，提高了过程的安全性和可持续性。研究人员相信，这可能会彻底改变从像地热盐水这样困难来源中提取锂的方式。
比斯瓦尔指出：“这个反应器可能标志着在提高锂提取效率和环保方面的重要进展。”她是化学工程的威廉·M·麦卡德尔教授，与郝天共同担任通讯作者。
另一个重要发现与反应器的长期稳定性有关。团队发现，钠离子倾向于在LICGC膜表面积累，阻碍锂的运输并增加能耗，而钾、镁或钙则没有这种现象。虽然这种积累可能影响锂提取效率，但研究人员提出了缓解该问题的策略，如降低电流水平，并建议后续研究考察表面涂层或电流脉冲，以进一步优化反应器。
这项研究表明，一种更清洁、更高效和可能更快捷的地热盐水锂提取方法，代表着在确保可再生能源技术可靠锂供应方面的重要进展。
“我们的领域长期以来一直在与锂提取的低效和环境后果作斗争，”化学和生物分子工程副教授郝天说。“这个反应器突显了基础科学与工程创造力有效结合，以应对现实世界挑战。”
莱斯大学化学与生物分子工程系的贡献者包括研究生冯宇哲、朴允洙、邱昶、陈风扬、朱鹏和阮全。来自同一部门的博后研究员有郝少云、方志伟、张晓和张守坤。坦吉·特尔利耶担任莱斯大学共享设备管理局SIMS实验室的表面和界面表征主任。
