摘要：2024年9月26日，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Zhiping Lai（赖志平）教授、Kuo-Wei Huang（黄国维）教授团队合作在Science期刊发表题为“Lithiumextraction from brine through a decou
通过建立从盐水中高效提取锂的方法，可以提高锂基储能或转换系统（如锂离子电池）的可持续性。
2024年9月26日，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Zhiping Lai（赖志平）教授、Kuo-Wei Huang（黄国维）教授团队合作在Science期刊发表题为“Lithiumextraction from brine through a decoupled and membrane-free electrochemical cell design”的研究论文，阿卜杜拉国王科技大学Research Scientist李震博士为论文第一作者，黄国维教授、赖志平教授为论文共同通讯作者。
李震，阿卜杜拉国王科技大学Research Scientist，专注于从非常规资源中提取锂、回收和再利用废旧锂离子电池、纳米过滤等研究；2012年本科/2015年硕士毕业于天津大学化工学院，导师：姜忠义教授；2019年博士毕业于清华大学核能与新能源技术研究院，导师：徐盛明教授；后于阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究，合作导师：赖志平教授。
该研究介绍了一种解耦的无膜电化学电池，其在磷酸铁电极之间循环锂离子，其阴极（盐水）和阳极（淡水）相互隔离，但通过一对银/卤化银氧化还原电极进行电化学连接。这种设计适用于镁/锂摩尔比高达3258、锂浓度低至0.15毫摩尔的苛刻盐水，能够生产电池级（纯度大于99.95%）碳酸锂。通过有效利用盐水的渗透能，可实现高达21.5%的节能。电极表面积为33.75平方米的中试规模电池实现了从死海盐水中提取锂，回收率达 84.0%。
DOI：10.1126/science.adg8487
近年来，Cronin等人提出了使用可溶性多氧化金属酸盐作为中间氧化还原电解质对的解耦电解概念，而Grader等人则使用固体NiOH-NiOOH电解质对改进了该系统，并表明当两个腔室保持在不同温度时，解耦系统可以利用热能。受这些工作的启发，该研究开发了一种无膜解耦电化学工艺，并实现了从锂浓度低至 ~0.15 mM（即1 ppm）的苛刻盐水中提取锂，同时利用渗透势大幅降低能耗。
在用于锂提取的解耦无膜（DCMF）电池中（图1A），阴极室（盐水进料）和阳极室（萃取液）物理上相互隔离，但通过一对工作电极（FePO4/LiFePO4）和氧化还原电极（Ag/AgX）进行电化学连接。卤化银中的X是Cl或Br，因为氯化物和溴化物是天然锂盐水中的主要阴离子。两对电极被制作成相同大小的平板，以加速质量传输并减少界面电阻。在阴极室，进料溶液（盐水）中的Li+离子插层到FePO4的框架中，并逐渐转化为LiFePO4，而X−阴离子则在氧化银表面形成AgX。在阳极室，LiFePO4电极在氧化转化为FePO4时释放出Li+离子到萃取液中，而AgX电极在还原电镀Ag时释放出X−。整个反应相当于从进料中提取LiX。当阴极和阳极区的反应几乎达到平衡时，两个电极对的位置被调换，以恢复原来的电化学构型，使反应继续进行。因此，Li+离子借助FePO4/LiFePO4电极不断从进料溶液转移到萃取溶液中，而卤化物阴离子则通过Ag/AgX电极的作用从进料溶液转移到萃取溶液中。
为了验证渗透能收集的可能性，设计了一个对称电池，其中的工作电极对被两个等电位探针取代，电源被一个无源电子负载取代。由于没有使用外部电源，因此检测到的功率输出来自渗透能。
图1. 蓝色能量辅助电化学锂萃取
图2. 实验规模DCMF电池的锂萃取性能
图3. 中试规模DCMF工艺的锂萃取性能
能耗和材料成本是根据中试规模提取和稳定性测试的结果估算的。采用具有R485通信协议的智能电表记录并分析了中试规模萃取的能耗。总能耗仅为70.43 W（每循环1,183,289.79 J），即萃取1.0 kg Li2CO3需要11.59千瓦时（kWh）。与锂提取直接相关的能耗仅占总能耗（1.97kWh）的17.01%，其中包括电极旋转、溶液加载和卸载、锂吸附和电极冲洗所消耗的功率。考虑到每个循环的能耗值为7008.29 J（即每提取1.0 kg Li2CO3消耗0.069 kWh），渗透能占锂提取直接相关能耗的3.48%。其他82.99%的能耗来自辅助系统，包括控制系统和漂洗系统。通过优化辅助系统的设计和规模效应，这一比例可以在更大规模上大幅降低。例如，控制系统由算术逻辑单元、指令发送器（电动继电器）、执行器和监控器组成，只有执行器的数量会随着系统规模的扩大而成正比增加。总体材料和运行成本确定为每公斤Li2CO3约5.89美元，具有从富锂资源中提取锂的竞争力（2美元至9美元），低于2022年至2023年Li2CO3的平均市场价格（约70美元）。该研究开发了一种从盐水中提取锂的DCMF电池设计，有效利用了渗透势以降低系统能耗。与传统资源提取锂相比，提取成本具有竞争力，且设计简单，易于升级。该设计所固有的工艺灵活性有望促进创新理念在更广泛领域的应用。
来源：华算科技