新型电化学反应器可从盐水中提取锂以满足日益增长的需求

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莱斯大学的一个研究小组开发了一种创新的电化学反应器，可以从天然盐水溶液中提取锂，为满足可充电电池对锂日益增长的需求提供了一种有希望的方法。这一突破发表在《美国国家科学院院刊》上，对可再生能源存储和电动汽车具有巨大的潜力。
锂是可再生能源存储和电动汽车电池的关键成分，但传统的锂提取方法面临着许多挑战，包括高能量要求和难以将锂与其他元素分离。
天然卤水（地热环境中的咸水）已成为一种颇具吸引力的锂源，因为传统的矿石开采难度越来越大，成本也越来越高。然而，这些卤水还含有钠、钾、镁和钙等其他离子，这些离子的化学性质与锂非常相似，因此有效分离锂极具挑战性。
锂离子和这些其他离子在离子大小和电荷方面相似，这意味着传统的分离技术往往难以实现高选择性，从而导致额外的能源消耗和化学废物。此外，盐水中含有高浓度的氯离子，这会导致传统电化学过程中产生危险的氯气，从而进一步增加提取过程的复杂性和安全隐患。
由 Lisa Biswal 和 Haotian Wang 领导的莱斯大学工程团队利用一种新型三室电化学反应器解决了这些挑战，该反应器提高了从盐水中提取锂的选择性和效率。与传统方法不同，这种新反应器引入了一个中间室，其中装有多孔固体电解质（就像相互连接的高速公路），通过控制盐水通过时的离子流来防止这些不必要的反应。
阳离子交换膜可作为氯离子的屏障，阻止氯离子到达电极区域，从而在电极区域结合产生氯气，从而最大限度地减少危险副产品。实现高选择性锂提取的关键组件是电解器另一侧的专用锂离子导电玻璃陶瓷 (LICGC) 膜，该膜可选择性地允许锂通过，同时阻挡其他离子。
LICGC 膜的高离子电导率和选择性对于保持效率至关重要，因为它可以显著降低天然盐水中钾、镁和钙等其他离子的干扰。尽管 LICGC 膜通常用于固态锂离子电池，但这种用于选择性提取锂的应用代表了该材料高离子电导率和选择性的新颖而有效的利用。
“我们的方法不仅实现了高锂纯度，而且还减轻了传统提取方法带来的环境风险，”第一作者、比斯瓦尔实验室的研究生 Yuge Feng 说道。“我们创建的反应堆旨在最大限度地减少副产品的形成并提高锂的选择性。”
该反应堆取得了令人印象深刻的成果，包括锂纯度达到 97.5%。这意味着该装置可以有效地将锂与盐水中的其他离子分离，这对于生产高质量的氢氧化锂（电池制造的重要材料）至关重要。此外，新的反应堆设计显著减少了氯气的产生，使该过程更安全、更环保。研究人员表示，它有可能成为从地热盐水等具有挑战性的来源中提取锂的革命性因素。
“该反应堆可能代表着在提高锂提取效率和减少对环境危害方面迈出的重要一步，”威廉·M·麦卡德尔 (William M. McCardell) 化学工程教授、王的共同通讯作者比斯瓦尔 (Biswal) 表示。
另一个重要发现与反应堆长期稳定性的挑战有关。研究小组观察到，与钾、镁或钙不同，钠离子往往会在 LICGC 膜表面堆积，从而阻碍锂的运输并增加能耗。虽然这种堆积可能会影响锂的提取效率，但研究人员确定了缓解这一问题的策略，例如降低电流水平，并建议未来的研究探索表面涂层或电流脉冲，以进一步优化反应堆。
通过提供一种从地热盐水中提取锂的更清洁、更高效且可能更快的方法，这项研究标志着朝着确保可再生能源技术稳定锂供应迈出了重要一步。
“长期以来，我们这个领域一直在努力解决锂 提取的低效率和环境影响问题，”化学和生物分子工程副教授王说。“这个反应堆证明了将基础科学与工程智慧结合起来解决现实问题的力量。”
参与这项研究的莱斯大学化学与生物分子工程系研究生包括 Feng、Yoon Park、Chang Qiu、Feng-Yang Chen、Peng Zhu 和 Quan Nguyen。来自同一系的博士后研究员包括 Shaoyun Hao、Zhiwei Fang、Xiao Zhang 和 Shoukun Zhang。Tanguy Terlier 担任莱斯大学共享设备管理局 SIMS 实验室表面和界面表征主任。