新的提取技术彻底改变锂生产

普林斯顿大学的研究人员已经开发出一种新的锂提取技术，使用多孔纤维，大大减少了生产所需的时间和土地。这种环保的方法利用蒸发和毛细管作用分离锂和钠，有可能彻底改变电池行业。来源:邦布·德杰苏斯

锂是电动汽车电池和储能系统的基本元素，有望实现更环保的未来。然而，它的生产具有显著的环境影响。从盐水中提取锂需要大量的土地和时间，大型作业占地数十平方英里，通常需要一年多的时间才能开始生产。

现在，普林斯顿大学的研究人员已经开发出一种提取技术，可以大幅减少锂生产所需的土地和时间。研究人员表示，他们的系统可以提高现有锂设施的产量，并解锁以前被认为太小或被稀释而不值得的锂资源。

最近发表在《自然水》(Nature Water)杂志上的一篇论文描述了这项技术的核心，它是一组多孔纤维绞成串，研究人员设计了一个亲水的核心和一个拒水的表面。当绳子的末端浸入盐水溶液时，水通过毛细管作用沿着绳子向上流动——这与树木将水从根吸到叶的过程相同。

水从每根绳子的表面迅速蒸发，留下钠和锂等盐离子。随着水的不断蒸发，盐的浓度越来越高，最终在串上形成氯化钠和氯化锂晶体，这样就很容易收获。

除了浓缩盐外，由于锂和钠的物理性质不同，该技术还使它们在管柱的不同位置结晶。溶解度低的钠在管柱下部结晶，而高可溶性的锂盐在管柱顶部结晶。这种自然分离使研究小组能够单独收集锂和钠，这一壮举通常需要使用额外的化学物质。

普林斯顿大学的一个研究小组开发了一种浓缩、分离和收获锂盐的新方法。来源:邦布·德杰苏斯

“我们的目标是利用蒸发和毛细管作用的基本过程来浓缩、分离和收集锂，”普林斯顿大学安德林格能源与环境中心的土木与环境工程教授、研究小组负责人Z.杰森·任(Z. Jason Ren)说。“我们不需要像许多其他提取技术那样使用额外的化学品，而且与传统的蒸发方法相比，这一过程节省了大量的水。”

他补充说，锂供应有限是向低碳社会过渡的一个障碍。“我们的方法便宜、容易操作，而且只需要很少的能源。这是一种环保的解决方案，可以解决关键的能源挑战。”

绳子上的蒸发池

传统的盐水提取需要建造一系列巨大的蒸发池，从盐滩、咸水湖或地下水含水层中浓缩锂。这个过程可能需要几个月到几年的时间。这种操作只有在世界上少数几个地方才具有商业可行性，这些地方的初始锂浓度足够高，可用土地丰富，气候干旱，可以最大限度地蒸发。例如，在美国只有一个活跃的盐基锂提取作业，位于内华达州，占地超过7平方英里。

管柱技术要紧凑得多，可以更快地开始生产锂。尽管研究人员警告说，将他们的技术从实验室扩展到工业规模还需要额外的工作，但他们估计，与传统的蒸发池相比，它可以将所需的土地数量减少90%以上，并且可以将蒸发过程加快20倍以上，可能在不到一个月的时间内产生初始锂收成。

紧凑、低成本和快速的操作可以扩大锂的新来源，例如废弃的油气井和地热盐水，这些资源目前太小或太稀，无法提取锂。研究人员表示，加速的蒸发速度也可以在更潮湿的气候下运行。他们甚至在研究这项技术是否可以从海水中提取锂。

“我们的过程就像把一个蒸发池放在一根绳子上，使我们能够在显著减少空间足迹的情况下获得锂的收获，并对过程进行更精确的控制，”该研究的合著者、前安德林格中心杰出博士后郑孙翔(Sean)说。“如果规模扩大，我们可能会为环保锂提取开辟新的前景。”

由于制造弦的材料很便宜，而且该技术不需要化学处理，研究人员说，随着进一步的改进，他们的方法将成为广泛采用的强有力的候选者。在论文中，研究人员通过构建一个由100个锂提取字符串组成的数组，展示了他们的方法的潜在可扩展性。

Ren的团队已经在开发第二代技术，该技术将实现更高的效率、更高的吞吐量和对结晶过程的更好控制。他认为普林斯顿催化计划为创造性的研究合作提供了关键的初始支持。此外，他的团队最近获得了美国国家科学基金会创新伙伴奖和普林斯顿大学知识产权(IP)加速器基金的奖项，以支持研究和开发过程，包括修改提取除锂外其他关键矿物的方法的方法。与机械和航空航天工程助理教授Kelsey Hatzell以及Andlinger能源与环境中心一起，Ren还获得了普林斯顿复杂材料中心的种子基金，以更好地了解结晶过程。

郑正领导着一家名为PureLi Inc.的初创公司的成立，该公司将开始完善这项技术，并最终将其推向更广阔的市场。郑被选为普林斯顿大学首届START企业家团队的四名研究人员之一，这是一个旨在促进包容性创业的学术奖学金和创业加速器。

“作为一名研究人员，你直接知道许多新技术过于昂贵或难以扩展，”郑说。“但我们对这款车感到非常兴奋，加上一些额外的效率改进，我们认为它有难以置信的潜力，可以对世界产生真正的影响。”

参考文献:陈曦，杨梅琪，郑孙祥，Fernando Temprano-Coleto，董琦，程光明，姚楠，Howard A. Stone，胡良冰，任志勇，2023年9月7日，Nature water。DOI: 10.1038 / s44221 - 023 - 00131 - 3