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原创丨米测MeLab
编辑丨风云
研究背景
锂是高性能电池不可或缺的组成部分，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和可再生能源系统。鉴于全球常规锂储量（约2200万吨）预计到2080年将被耗尽，人们开始高度关注非常规锂源的利用，包括含有超过2300亿吨锂的劣质盐水和海水。
关键问题
然而，锂提取主要存在以下问题：
1、目前锂提取过程中存在水资源和环境污染问题
由于锂浓度低且干扰离子含量高，传统的提取方法，如钠石灰蒸发法，会造成大量水损失，加剧干旱地区水资源短缺，并且使用有毒化学品，导致严重的环境污染。
2、商用阴离子交换膜的离子选择性较差
在摇椅法提取锂的过程中，使用的商用阴离子交换膜通常具有较差的离子选择性，这会导致严重的离子返混，以及与苛刻的盐水（具有高Mg/Li比和/或低锂浓度的盐水）不兼容，从而影响提锂效率和选择性。
新思路
有鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学Zhiping Lai（赖志平）、Kuo-Wei Huang（黄国维）等人描述了一种解耦无膜电化学电池，该电池在磷酸铁电极之间循环锂离子，其阴极（盐水）和阳极（淡水）隔室彼此隔离，但通过一对银/银卤化物氧化还原电极电化学连接。该设计适用于镁/锂摩尔比高达3258且锂浓度低至0.15 毫摩尔的苛刻盐水，从而能够生产电池级（纯度>99.95%）碳酸锂。通过高效收集盐水的渗透能，可节省高达~21.5%的能源。使用电极表面积为33.75平方米的中试电池可从死海盐水中提取锂，回收率为84.0%。
技术方案：
1、设计了解耦无膜锂提取电池
作者创新地开发了一种无膜电池技术，通过FePO4/LiFePO4和Ag/AgX电极对从盐水中提取锂，同时收集渗透能，提高能源效率。
2、探究了无膜电池技术锂提取性能
作者开发了新型解耦无膜电池技术，通过FePO4/LiFePO4和Ag/AgX电极对提取锂，实现高选择性和能源效率，锂回收率高达92.6%。
3、通过中试规模建立证实了无膜电池系统的实用性
作者成功开发并测试了一个试验规模的解耦无膜电池系统，用于从模拟死海盐水中提取锂，实现了84.0%的锂回收率，并生产出符合电池级标准的Li2CO3。
技术优势：
1、实现了从苛刻盐水中提取锂
作者开发了一种无膜解耦电化学工艺，能够从锂浓度低至约0.15 mM的苛刻盐水中提取锂，同时利用渗透势大幅降低能耗。这种工艺不仅解决了传统膜技术中存在的结垢问题，还减少了对昂贵预处理步骤的依赖，提高了整体工艺的能源效率和经济性。
2、证实了无膜解耦电化学工艺在实际应用中的可行性
作者展示了使用电极表面积为33.75平方米的中试电池从死海盐水中提取锂的可行性，回收率可达到84.0%。
技术细节
解耦无膜锂提取电池的设计
作者开发了一种新型解耦无膜电池技术，用于从天然含锂盐水中提取锂。该技术采用物理隔离但电化学连接的阴极室和阳极室，通过FePO4/LiFePO4和Ag/AgX电极对实现锂离子和卤素阴离子的转移。在阴极室，Li+离子插入FePO4转化为LiFePO4，同时形成AgX；在阳极室，LiFePO4释放Li+，AgX还原为Ag和X−。总反应实现了从盐水中提取LiX。此外，利用Ag/AgX电极对X−浓度的依赖性，开发了一种渗透能量收集方法，通过测量不同浓度盐水的开路电位和峰值功率密度，验证了渗透能收集的可行性。该技术在提取锂的同时，还能收集渗透能，提高了能源效率。
图 蓝色能量辅助电化学锂提取
锂提取性能
作者开发了一种新型解耦无膜电池技术，通过FePO4/LiFePO4和Ag/AgX电极对，从天然含锂盐水中提取锂。FePO4电极因高插入电位优先吸附Li+，实现高选择性锂提取。实验表明，该技术能有效从低至0.71 mM的锂浓度溶液中提取锂，且锂提取率和选择性高，性能与人造盐水相当。此外，利用Ag/AgX电极对X−浓度的依赖性，开发了一种渗透能量收集方法，通过测量不同浓度盐水的开路电位和峰值功率密度，验证了渗透能收集的可行性，渗透能占总能耗的21.5%。长期测试中，电极浸出率低，锂回收率达92.6%。经过1600小时测试，库仑效率接近100%，FePO4/LiFePO4电极容量保持率在200次和1000次循环后分别为>91%和55%，表明该技术具有高稳定性和升级潜力。
图 台式DCMF电池的锂提取性能
中试规模原型
作者构建了一个试验规模的解耦无膜电池系统，用于从模拟死海盐水中提取锂，其规模是台式装置的100,000倍。该系统由四个1.0立方米的方形水箱组成，通过西门子可编程逻辑控制器协调五个单元操作。实验中，锂的回收率达到84.0%，锂浓度在112次循环后达到99.21 mM。锂的提取能耗为每循环46011.16焦耳，其中渗透能占总能耗的15.23%。锂沉淀后，通过纳滤浓缩、反渗透和太阳能蒸发，最终得到3.175千克的Li2CO3，总锂回收率为86.5%。X射线衍射和ICP-OES分析证实了产品的纯度符合电池级Li2CO3标准。中试提取的总能耗为每千克Li2CO3 11.59千瓦时，其中与锂提取直接相关的能耗仅占17.01%，表明该技术具有潜在的商业可行性。
图 中试规模 DCMF 工艺的锂提取性能
展望
总之，本工作开发了一种DCMF电池设计，可用于从劣质盐水中提取锂，有效利用渗透势来降低系统能耗。提取成本与从传统资源中提取锂的成本相比具有竞争力，而且设计简单且易于升级。
参考文献：
ZHEN LI, et al. Lithium extraction from brine through a decoupled and membrane-free electrochemical cell design. Science, 2024, 385(6716):1438-1444
DOI: 10.1126/science.adg8487
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8487#tab-contributors
