随着电动汽车市场的繁荣，对锂(锂离子电池所需的矿物)的需求也在飙升。过去十年，全球锂产量增长了两倍多。但目前从岩石矿石或盐水中提取锂的方法速度缓慢，而且能源需求高，环境成本高。它们还需要锂的来源，而锂的来源一开始就非常集中，而且只在少数几个国家发现。
现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员已经优化了一种新方法，可以从更稀释、更广泛的矿物来源中提取锂，包括海水、地下水、水力压裂和海上石油钻探留下的“返排水”。
“目前，锂的需求和生产之间存在差距，”Neubauer家庭分子工程助理教授、这项新研究的资深作者刘冲(音)说。“我们的方法可以从非常稀的液体中有效地提取矿物，这可以大大拓宽锂的潜在来源。”
在新的研究中，刘和她的同事展示了磷酸铁的某些颗粒如何最有效地从稀释液体中提取锂。他们的新发现可能会加速一个更快、更环保的锂提取时代的到来。
锂的成本
今天，锂电池中使用的大多数锂来自两个基本的提取过程。锂岩矿石可以开采，用重型机械粉碎，然后用酸处理以分离锂。另一方面，锂盐池是将大量的水抽到地球表面，然后在一年多的时间里蒸发掉，从而产生干燥的锂。
刘说:“这些方法一开始就不是特别环保，如果你开始尝试使用浓度较低的锂资源，它们的效率会变得更低。”“如果你有一种稀释了10倍的盐水，你需要10倍的盐水才能得到同样数量的锂。”
近年来，刘的团队率先采用了一种完全不同的方法，从稀释液体中提取锂。他们的方法是利用磷酸铁橄榄石的晶格，根据其电化学性质分离锂。由于它的大小、电荷和反应性，锂被吸入磷酸铁橄榄石柱的空隙中，就像水被浸泡在海绵的孔里一样。但是，如果色谱柱设计完美，同样存在于盐水中的钠离子就会被排除在外，或者以低得多的水平进入磷酸铁。
在这项新工作中，刘和她的同事，包括新论文的第一作者，PME研究生闫刚斌，测试了橄榄石磷酸铁颗粒的变化如何影响它们选择性分离锂而不是钠的能力。
“当你生产磷酸铁时，你可以得到大小和形状截然不同的颗粒，”Yan解释说。“为了找出最佳的合成方法，我们需要知道哪种颗粒在选择锂而不是钠方面最有效。”
不要太大，也不要太小
研究小组使用不同的方法合成了磷酸铁橄榄石颗粒，得到了20至6000纳米的颗粒尺寸范围。然后，他们根据颗粒的大小将这些颗粒分成几组，并用它们来制造可以从弱溶液中提取锂的电极。
他们发现，当磷酸铁颗粒过大或过小时，它们倾向于让更多的钠进入它们的结构。这导致锂的纯度降低。
刘说:“事实证明，在动力学和热力学上，锂比钠更有利，这中间有一个最佳点。”
这一发现对于将电化学锂提取技术推向商业用途至关重要。他们建议，研究人员不仅要关注生产磷酸铁橄榄石，还要关注生产理想粒径的磷酸铁橄榄石。
刘说:“当我们选择合成方法来扩大规模时，我们必须牢记这个理想的粒度。”“但如果我们能做到这一点，我们认为我们可以开发一种方法，减少锂生产对环境的影响，并确保这个国家的锂供应。”
该论文的其他作者包括芝加哥大学的Emory Apodaca、Suin Choi、Peter J. Eng、Joanne E. Stubbs、Yu Han、Siqi Zou、Mrinal K. Bera和Ronghui Wu;伊利诺伊理工大学魏家良、陈伟;以及阿贡国家实验室的Evguenia Karapetrova和Hua Zhou。
引文:“确定磷酸铁颗粒对锂偏好的关键特征”，Yan等人，Nature Communications, 2024年6月7日。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 49191 - 3
资助:这项工作得到了美国国家科学基金会和能源部科学办公室的支持。
