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      提鋰技術顛覆性突破,新工藝將徹底改變鋰生產方式
      環球零碳 上海 / 時間:2023-09-28 09:52:28

      環球零碳9月27日訊:隨著新能源汽車、儲能、消費電子等行業的快速發展,鋰被廣泛應用于動力電池的正負極材料、電解液等重要組件中。由于短期內沒有經濟可行的替代品,鋰的產量和需求被推至新高,成為了名副其實的“白色石油”。

      鋰原料主要以礦石和鹽湖的形式存在。

      礦山提鋰技術發展早且成熟,產量規模大,但鋰礦開采和加工過程中極易導致環境污染和生態破壞,同時大量廢渣處置、回收和再利用也存在一定挑戰。

      鹽湖提鋰則可能消耗大量水資源、電力資源和土地資源,并且存在鹽田建設的前期投入大、時間長,鹽湖提鋰的整體收率低等問題。

      《自然》雜志在今年4月刊發的一篇文章就指出,“如果沒有任何改變,僅僅在現有產地中增加鋰產量,或許會抵消它們作為清潔技術能源所帶來的好處?!?/span>

      現在,美國普林斯頓大學的研究人員已經開發出一種新的鋰提取技術,可以大幅減少鋰生產所需的土地和時間。研究人員表示,他們的系統可以提高現有鋰設施的產量,并解鎖以前被認為太小或被稀釋而不值得使用的鋰資源。

      新的鋰提取技術的核心是一組扭曲成繩的多孔纖維,研究人員將其設計成具有親水的核心和防水的表面,這一技術已于近日發表在《自然水》(Nature Water)上,并登上了本月的雜志封面。當繩子的末端浸入鹽水溶液時,水通過毛細管作用沿著繩子向上流動——這與樹木將水從根吸到葉的過程相同。

      01--基于3D多孔纖維繩的新技術

      此次,普林斯頓大學的研究人員提出了一種有效的自濃縮結晶方法,用于從鹽水和海水中選擇性提取鋰。扭曲細長的 3D 多孔天然纖維素纖維結構通過毛細管和蒸發流實現了不同濃度和溶解度的陽離子物種的連續且可分離的結晶。該過程的蒸發速率高達 9.8 kgm-2h-1,并且它選擇性地將鋰濃縮了幾個數量級。

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      圖說:研究人員構建了一系列鋰收集串繩,以展示其技術的可擴展性

      來源:Bumper DeJesus, Andlinger Center for Energy and the Environment

      具體來看,當這種扭曲成繩的多孔纖維的末端浸入鹽水溶液時,水通過毛細管作用沿著繩子向上流動。隨后,水很快從每根繩子的表面蒸發,留下鈉和鋰等鹽離子。隨著水繼續蒸發,鹽變得越來越濃縮,最終在繩子上形成氯化鈉(食鹽)和氯化鋰晶體,從而可以輕松收獲。

      除了濃縮鹽之外,該技術還可利用鋰和鈉物理性質不同,使其在繩上的不同位置結晶。鈉鹽的溶解度較低,會在繩的下端結晶,而高溶解度鋰鹽則在頂端附近結晶。由于二者自然分離,該團隊可以單獨收集鋰和鈉,而不需要使用額外的化學品。

      該團隊負責人普林斯頓大學土木與環境工程系教授Z. Jason Ren表示:“我們的目標是利用蒸發和毛細作用的基本過程來濃縮、分離和收集鋰。該過程不像其他很多提取技術那樣需要使用額外的化學品,而且與傳統的蒸發方法相比,可以大量節省水?!?/span>

      Ren 補充說,鋰的有限供應是向低碳社會過渡的一個障礙。"我們的方法成本低廉、易于操作,而且只需要很少的能源。這是一種解決關鍵能源挑戰的環保解決方案?!?/span>

      02--或將改變鋰提取技術的游戲規則

      傳統的鹽湖提鋰涉及建造一系列巨大的蒸發池,從鹽灘、咸湖或地下水含水層中濃縮鋰。這個過程可能需要幾個月到幾年的時間。這些作業僅在世界上少數幾個具有足夠高起始鋰濃度、豐富的可用土地和干旱氣候以最大限度地蒸發的地點具有商業可行性。

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      圖說:智利卡拉馬 Albemarle Corp. 鋰礦的鹽水池 來源:Bloomberg

      對于含鋰濃度高的鹽湖,沉淀法是主流提鋰技術,日曬和沉淀需要大面積鹽田,且每生產1噸碳酸鋰平均會產生約115噸廢棄物。對于含鋰濃度低的鹽湖,目前主流的吸附法和膜分離法則需要礦區匹配充足的電力和淡水資源,據公開資料,吸附法的耗水量大致為生產每噸碳酸鋰需350-470噸淡水,是沉淀法耗水強度的近10倍。

      相比之下,這種3D多孔纖維繩的新技術更加緊湊,并且可以更快地生產鋰。

      研究人員表示,將這種技術從實驗室擴展到工業規模還需要更多的工作,但估計可以減少當前操作所需的土地面積達90%以上,并且可以將蒸發過程加速20倍以上。與傳統蒸發池相比,新方法可以在不到一個月的時間內獲得初步的鋰收成。

      此外,新方法緊湊、低成本和快速的運營的優勢還可以擴大鋰的獲取范圍,例如廢棄的油氣井和地熱鹽水。這些資源太少或太稀,目前被視為不適合用于提取鋰。研究人員表示,由于蒸發速度加快,該技術可以在更潮濕的氣候中運行。他們甚至在探討這項技術是否可用于從海水中提取鋰。

      03--未來

      該研究的合著者、前安德林格能源與環境中心杰出博士后研究員鄭孫祥(Sunxiang (Sean) Zheng)表示:“我們的工藝就像把蒸發池裝在一根繩子上,使我們能夠在大幅減少空間占用和更精確控制工藝的情況下收獲鋰。如果能夠擴大規模,或將為實現環保的鋰提取開辟新前景?!?/span>

      研究人員還表示,由于生產3D多孔纖維繩的材料很便宜,而且該技術無需進行化學處理即可運行,因此如果再加以改進,他們的方法將成為未來鋰提取技術的有力候選。在論文中,研究人員通過構建一個由 100 個鋰提取串組成的陣列,展示了其方法的潛在可擴展性。

      目前,Ren的團隊已經在開發第二代技術,該技術將實現更高的效率、更高的吞吐量以及對結晶過程的更多控制。此外,他的團隊最近還獲得了美國國家科學基金會創新合作伙伴獎和普林斯頓知識產權 (IP) 加速器基金頒發的獎項,以支持研究和開發過程,包括提取除鋰之外的其他關鍵礦物的方法。

      鄭孫祥則領導成立了一家初創公司PureLi Inc.,以開始完善該技術并最終將其推向更廣泛的市場,并被選為普林斯頓大學首屆 START 企業家隊列的四名研究人員之一。

      這一鋰提取技術的突破對于改變電池和儲能行業的潛力是巨大的。它提供了一種更可持續的鋰提取方法,減少了對環境的影響和成本。隨著對清潔能源技術的需求不斷增長,這種創新方法可以在塑造更清潔、更綠色的未來方面發揮關鍵作用。

       


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