文献前沿丨Nature: 卤水提锂进展与挑战

在追求环境可持续性的过程中，对电动汽车和可再生能源技术的需求不断增长，大大增加了对高效锂提取方法的需求。传统的锂生产依赖于地理上集中的硬岩矿石和盐湖卤水，与大量的能源消耗、温室气体排放、地下水枯竭和土地扰动有关，从而构成了显著的环境和供应链挑战。另一方面，低质量的卤水，如沉积水、地热流体、油田产出的水、海水和一些盐湖卤水，由于其储量大、地理分布广，具有很大的潜力。然而，由于锂浓度低和镁锂比高，从这些来源提取锂存在技术挑战。论文探讨了从这些苛刻但有前途的来源中提取锂的最新进展和持续挑战，涵盖了各种方法，包括沉淀，溶剂萃取，吸附，膜分离和电化学分离。此外，论文还分享了在分离工艺的基本原理框架内对锂提取技术未来发展的看法。目的是鼓励开发能够利用低质量盐水的巨大潜力的创新提取方法。相关成果以Lithium extraction from low-quality brines发表于Nature期刊。

图1 未开发水体中丰富的锂资源潜力及其低浓度、高镁锂比提取技术挑战

图2 全球主要含锂水体的Li浓度和Mg/Li比值以及不同锂提取方法的实验结果

图3 基于相生成和添加策略的锂提取方法. a, 溶剂浸提工艺示意图。b, 不同环尺寸冠醚分子的尺寸匹配规则和冠醚-碱金属离子对的三明治结构。c, TBP和FeCl3二元协同萃取工艺的工作原理。d, Li/Al-LDH和层状LTO材料的晶格结构及其脱锂机理。e, 不同类型吸附剂的吸附能力。f, 几个锂提取循环后LMO型和LTO型材料的过渡金属元素的损失率。g, 吸附剂的稳定性增强方法。h, 吸附剂回收方法。

图4 锂提取的膜分离技术. a, 基于纳滤的分离方法。在该工艺中，对进料溶液加压并迫使其通过纳滤膜，利用Donnan效应防止Mg2+通过。b, 采用选择性渗透膜作为MCEM的电渗析过程。c, 电渗析过程以锂离子固体电解质为筛分膜，在工作电极上实现直接镀锂。d, ZIF-8和Li0.33La0.56TiO3的结构。e, 促进锂溶剂化电子溶液中Li+选择性导电的间隙扩散和空位扩散的工作机制。f, SLi, Mg的不同类型的选择性渗透膜和它们的实验条件与不同的Mg/Li的初始质量比。

图5 基于电化学方法的锂提取方法.a,单室和双室系统以及相应的电化学反应示意图。施加电场以改变电极材料的电子能级并选择性地允许Li+的插入。在双室系统中，分离膜用于防止可溶性产物的穿梭。对于对称设置，在锂提取过程中来自进料溶液的Li+进入工作电极，而辅助电极中的Li+脱嵌并进入回收溶液。在完全锂化/去锂化之后，切换电极，导致在回收溶液中富集锂。b,电极材料的工作电位和在不同pH的水溶液中HER/OER过程的电位。c,LiMn2O4和LiFePO4电极材料的晶格结构。d,不同电极材料的锂萃取容量。

图6锂提取的基本原理. 进料溶液、过渡态和富锂相中Li+和干扰离子的能量示意图。底部，促进锂提取的驱动力和离子性质差异总结。驱动力包括液压、电场和毛细管作用，并且这些力被施加在进料溶液上以促进液体流动和锂分离。离子的脱水能、扩散率和电荷密度的差异有利于过渡态锂的分离，而晶格能、螯合能和溶解度的差异有利于富集相锂的分离。

总结:为了在未来的发展中提高锂的选择性，无论是通过改进现有方法还是创新新方法，关键是利用不同的离子特性，最大限度地提高目标离子和共溶离子之间的差异。除了目前探索的性质之外，其他性质，如荷质比和离子量（或相应盐的分子量）也可用于开发创新的锂提取技术。此外，低质量卤水的高Mg/Li比和低锂浓度的特征需要大量的能量输入。因此，探索新的、具有成本效益的能源是至关重要的，正如最近的研究所证明的那样，这些研究成功地使用太阳能电压供电的电渗析来实现高效且具有成本效益的锂提取。

综述了从低品位卤水中提取锂的各种方法的工作原理、研究进展和面临的挑战。这些方法的实际应用不仅需要技术进步，而且还需要关键的跨部门工业合作。我们预测，通过在这些领域的持续研究和开发努力，从低质量盐水中提取的锂将成为可持续锂生产和使用的重要贡献者。这反过来又将确保能源储存系统的可靠供应，并促进全球转向更清洁和更可持续的能源未来。

论文信息：Yang, S., Wang, Y., Pan, H., He, P., & Zhou, H. (2024). Lithium extraction from low-quality brines. Nature, 636(8042), 309-321.

DOI: 10.1038/s41586-024-08117-1

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