随着新能源汽车、储能、消费电子等行业的快速发展，锂被广泛应用于动力电池的正负极材料、电解液等重要组件中。由于短期内没有经济可行的替代品，锂的产量和需求被推至新高，成为了名副其实的“白色石油”。
锂原料主要以矿石和盐湖的形式存在。
矿山提锂技术发展早且成熟，产量规模大，但锂矿开采和加工过程中极易导致环境污染和生态破坏，同时大量废渣处置、回收和再利用也存在一定挑战。
盐湖提锂则可能消耗大量水资源、电力资源和土地资源，并且存在盐田建设的前期投入大、时间长，盐湖提锂的整体收率低等问题。
《自然》杂志在今年4月刊发的一篇文章就指出，“如果没有任何改变，仅仅在现有产地中增加锂产量，或许会抵消它们作为清洁技术能源所带来的好处。”
现在，美国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，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使用的锂资源。
新的锂提取技术的核心是一组扭曲成绳的多孔纤维，研究人员将其设计成具有亲水的核心和防水的表面，这一技术已于近日发表在《自然水》（Nature Water）上，并登上了本月的杂志封面。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。
图说：用于从盐水中选择性提取锂的空间分离结晶，来源：Nature Water
基于3D多孔纤维绳的新技术
此次，普林斯顿大学的研究人员提出了一种有效的自浓缩结晶方法，用于从盐水和海水中选择性提取锂。扭曲细长的 3D 多孔天然纤维素纤维结构通过毛细管和蒸发流实现了不同浓度和溶解度的阳离子物种的连续且可分离的结晶。该过程的蒸发速率高达 9.8 kg/(m2·h)，并且它选择性地将锂浓缩了几个数量级。
图说：研究人员构建了一系列锂收集串绳，以展示其技术的可扩展性，来源：Bumper DeJesus， Andlinger Center for Energy and the Environment
具体来看，当这种扭曲成绳的多孔纤维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。随后，水很快从每根绳子的表面蒸发，留下钠和锂等盐离子。随着水继续蒸发，盐变得越来越浓缩，最终在绳子上形成氯化钠（食盐）和氯化锂晶体，从而可以轻松收获。
除了浓缩盐之外，该技术还可利用锂和钠物理性质不同，使其在绳上的不同位置结晶。钠盐的溶解度较低，会在绳的下端结晶，而高溶解度锂盐则在顶端附近结晶。由于二者自然分离，该团队可以单独收集锂和钠，而不需要使用额外的化学品。
该团队负责人普林斯顿大学土木与环境工程系教授Z. Jason Ren表示：“我们的目标是利用蒸发和毛细作用的基本过程来浓缩、分离和收集锂。该过程不像其他很多提取技术那样需要使用额外的化学品，而且与传统的蒸发方法相比，可以大量节省水。”
Ren 补充说，锂的有限供应是向低碳社会过渡的一个障碍。“我们的方法成本低廉、易于操作，而且只需要很少的能源。这是一种解决关键能源挑战的环保解决方案。”
或将改变锂提取技术的游戏规则
传统的盐湖提锂涉及建造一系列巨大的蒸发池，从盐滩、咸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。这些作业仅在世界上少数几个具有足够高起始锂浓度、丰富的可用土地和干旱气候以最大限度地蒸发的地点具有商业可行性。
对于含锂浓度高的盐湖，沉淀法是主流提锂技术，日晒和沉淀需要大面积盐田，且每生产1吨碳酸锂平均会产生约115吨废弃物。对于含锂浓度低的盐湖，目前主流的吸附法和膜分离法则需要矿区匹配充足的电力和淡水资源，据公开资料，吸附法的耗水量大致为生产每吨碳酸锂需350~470吨淡水，是沉淀法耗水强度的近10倍。
相比之下，这种3D多孔纤维绳的新技术更加紧凑，并且可以更快地生产锂。
研究人员表示，将这种技术从实验室扩展到工业规模还需要更多的工作，但估计可以减少当前操作所需的土地面积达90%以上，并且可以将蒸发过程加速20倍以上。与传统蒸发池相比，新方法可以在不到一个月的时间内获得初步的锂收成。
此外，新方法紧凑、低成本和快速运营的优势还可以扩大锂的获取范围，例如废弃的油气井和地热盐水。这些资源太少或太稀，目前被视为不适合用于提取锂。研究人员表示，由于蒸发速度加快，该技术可以在更潮湿的气候中运行。他们甚至在探讨这项技术是否可用于从海水中提取锂。
未来
该研究的合著者、前安德林格能源与环境中心杰出博士后研究员郑孙祥（Sunxiang (Sean) Zheng）表示：“我们的工艺就像把蒸发池装在一根绳子上，使我们能够在大幅减少空间占用和更精确控制工艺的情况下收获锂。如果能够扩大规模，或将为实现环保的锂提取开辟新前景。”
图说：研究人员审查的数据显示，锂在每根绳串的顶部附近结晶，来源：Bumper DeJesus，安德林格能源与环境中心
研究人员还表示，由于生产3D多孔纤维绳的材料很便宜，而且该技术无需进行化学处理即可运行，因此如果再加以改进，他们的方法将成为未来锂提取技术的有力候选。在论文中，研究人员通过构建一个由100个锂提取串组成的阵列，展示了其方法的潜在可扩展性。
目前，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、更高的吞吐量以及对结晶过程的更多控制。此外，他的团队最近还获得了美国国家科学基金会创新合作伙伴奖和普林斯顿知识产权（IP）加速器基金颁发的奖项，以支持研究和开发过程，包括提取除锂之外的其他关键矿物的方法。
郑孙祥则领导成立了一家初创公司PureLi Inc.，以开始完善该技术并最终将其推向更广泛的市场，并被选为普林斯顿大学首届START企业家队列的四名研究人员之一。
这一锂提取技术的突破对于改变电池和储能行业的潜力是巨大的。它提供了一种更可持续的锂提取方法，减少了对环境的影响和成本。随着对清洁能源技术的需求不断增长，这种创新方法可以在塑造更清洁、更绿色的未来方面发挥关键作用。
参考资料
[1]https://www.princeton.edu/news/2023/09/18/revolutionizing-lithium-production-string
[2]https://techxplore.com/news/2023-09-revolutionizing-lithium-production.html
[3]https://www.nature.com/articles/s44221-023-00131-3
[4]https://www.cls.cn/detail/1462222
[5]https://www.enn.com/articles/73254-revolutionizing-lithium-production-on-a-string
[6]https://www.techtimes.com/articles/296303/20230913/new-string-technology-to-change-lithium-extraction.htm
[7]https://chinadialogue.net/zh/1/105082/
本文来自微信公众号：环球零碳（ID：carbon-done），作者：Penn，编辑：小棠