新技术以低成本、可持续的方式从盐水中提取锂
一项新技术可以从盐水中提取锂，其成本估计不到目前主流提取方法的 40%，仅为锂当前市场价格的四分之一。斯坦福大学研究人员在《Matter》杂志上发表的一项研究表明，这项新技术在水、化学品和土地利用方面也将比今天的技术更加可靠和可持续。近年来，受电动汽车和可再生能源储存的推动，全球对锂的需求激增。目前，锂提取的主要来源是依靠在阳光下将盐水蒸发在巨大的池塘中一年或更长时间，留下富含锂的溶液，之后使用大量潜在的有毒化学品完成工作。一些湖泊、温泉和含水层中自然存在含有高浓度盐（包括锂）的水，以及石油和天然气作业以及海水淡化的副产品。
许多科学家正在寻找更便宜、更高效、更可靠、更环保的锂提取方法。这些方法通常是直接提取锂，绕过大型蒸发池。这项新研究报告了一种使用称为“氧化还原偶联电渗析”或 RCE 的新方法的结果，并估算了成本。
“我们的方法在效率和成本方面的优势使其成为当前提取技术的一个有前途的替代方案，并可能改变锂供应链，”该研究的资深作者，工程学院材料科学与工程教授崔毅说。
研究团队估计，他们的方法每吨高纯度氢氧化锂的成本为 3,500 至 4,400 美元，可以廉价地转化为电池级碳酸锂，而目前主流的从盐水中提取锂的技术成本约为每吨 9,100 美元。目前电池级碳酸锂的市场价格接近每吨 15,000 美元，但 2022 年底的短缺将波动的锂市场价格推高至 80,000 美元。
满足不断增长的需求
到目前为止，锂在全球向可持续能源转型中发挥了关键作用。根据麦肯锡公司的一份报告，锂的需求预计将从 2021 年的约 50 万公吨增加到 2030 年的约 300 万至 400 万公吨。这一急剧增长主要是由于电动汽车和可再生能源存储系统的快速普及，这两者都严重依赖电池。
传统上，锂是从开采的岩石中提取的，这种方法比盐水提取更昂贵、更耗能，而且需要使用有毒化学品。因此，如今锂提取的主要方法已转向蒸发盐湖盐水，尽管这仍然需要付出高昂的财务和环境成本。这种方法还严重依赖特定的气候条件，而这些气候条件限制了具有商业价值的盐湖的数量，这让人怀疑锂行业是否有能力满足日益增长的需求。
崔和他的团队的新方法利用电力将锂通过固态电解质膜从锂浓度较低的水中转移到浓度更高、纯度更高的溶液中。一系列电池中的每一个都会将锂浓度提高到最终化学分离相对容易的溶液中。这种方法耗电量不到目前盐水提取技术所需电量的 10%，锂选择性几乎达到 100%，非常高效。
“我们的方法比传统的锂提取技术更具优势，提高了其在环保和成本效益锂生产方面的可行性，”这项研究的共同主要作者、崔实验室前博士后研究员、现为中国西安交通大学教员的荣旭说。“最终，我们希望我们的方法能够显著推进电气化交通和储存可再生能源的能力。”
成本和环境效益
该研究包括一项简短的技术经济分析，比较了当前锂提取成本与 RCE 方法的成本。新方法预计成本相对较低，主要是因为资本成本较低。它消除了对大型太阳能蒸发池的需求，而大型太阳能蒸发池的建造和维护成本很高。除了可持续性优势外，新方法使用的电力、水和化学药剂显著减少，进一步降低了成本。
通过避免传统方法的大量土地使用和水消耗，RCE 方法还减少了锂生产的生态足迹。
RCE 方法适用于各种盐水，包括锂、钠和钾浓度不同的盐水。研究实验表明，新技术可以从石油生产产生的废水中提取锂。它可能用于从海水中提取锂，海水的锂浓度低于盐水。目前，使用传统方法从海水中提取锂在商业上不可行。
“像我们这样的直接锂提取技术已经开发了一段时间。迄今为止，主要的竞争技术存在重大缺陷，例如无法连续运行、能源成本高或效率相对较低，”斯坦福大学博士后学者、这项研究的合著者张戈说。“我们的方法似乎没有这些缺点。它的连续运行有助于更可靠的锂供应，并平息动荡的锂市场。”
展望
RCE 方法的可扩展性也令人鼓舞。在设备规模增加四倍的实验中，RCE 方法仍然表现良好，能源效率和锂选择性都保持很高水平。
崔说：“这表明该方法可以应用于工业规模，使其成为当前提取技术的可行替代方案。”
然而，这项研究也强调了一些有待进一步研究和开发的领域。研究人员试验了两种方法。一种方法提取锂的速度更快，耗电量也更大。另一种方法速度较慢，耗电量更少。与较快的提取方法相比，较慢的提取方法成本更低，膜也更稳定，可以连续长时间提取锂。在高电流密度和较快的水流下，膜会降解，导致效率随着时间的推移而降低。
尽管这在较慢的提取实验中并不明显，但研究人员希望优化其设备的设计，以实现更快的提取速度。他们已经在测试其他有前景的膜材料。
此外，研究人员在这项研究中没有证明从海水中提取锂。
“原则上，我们的方法也适用于海水，但海水中的膜可能存在稳定性问题，”张说。
尽管如此，该团队仍然非常乐观。
徐说：“随着研究的继续，我们认为我们的方法很快就会从实验室走向大规模的工业应用。”
更多信息： Rong Xu 等人，通过高效氧化还原偶联电渗析从盐水中连续提取锂，Matter ( 2024)。DOI ：10.1016/j.matt.2024.07.014。www.sciencedirect.com/science /…ii/S2590238524004247
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