哈爾濱工業大學邵路團隊和王文廣在《Nature Water》上發表了題為“Lithium extraction with energy generation”的評述論文。該論文討論了鋰提取技術的發展，特別是自發鋰提取及其能量生成的潛力。研究者們探討了通過反離子梯度驅動的自發過程，實現高效鋰提取的前景，同時也提出了在實際應用中可能面臨的挑戰和解決方案。該論文為鋰提取領域提供了新的見解，展示了其在能源高效性和環境友好性方面的優勢。

隨著可再生能源存儲和電動車市場的迅猛發展，鋰及其化合物的需求呈現出急劇上升的趨勢。然而，傳統的鋰提取技術在滿足這一需求時面臨諸多挑戰。本文將深入探討一種新興的自發鋰提取技術，揭示其在提升鋰提取效率和降低能耗方面的巨大潛力。

1. 傳統鋰提取技術的局限性

鋰的提取傳統上依賴于蒸發法和化學沉淀法。蒸發法通過蒸發鹽湖水分，提取其中的鋰，但這一過程不僅效率低下，還會對環境造成不小的影響。化學沉淀法則通過化學反應從礦石中分離鋰，但同樣存在著較高的成本和環境問題。這些傳統方法無法滿足快速變化的市場需求，亟需尋找更高效且環境友好的替代方案。

圖1：鋰提取和富集過程。a、具有凈能量輸出的自發鋰提取和富集的原理和示意圖。b、自發鋰提取電池在開路條件下的示意圖。c、跨膜Li+和Cl–濃度比的OCV熱圖。?與 和 是進料和接收溶液中Li+和Cl–的濃度。

2. 直接鋰取（DLE）的崛起

為了解決傳統鋰提取技術的不足，直接鋰提取（DLE）技術應運而生。DLE技術因其高效性、較低的資本投資和良好的環境兼容性而備受關注。先進的膜分離技術，如納濾（NF）、電滲析（ED）和電解，展示了在鋰提取方面的廣闊前景。盡管這些技術能夠有效分離單價和多價陽離子（如Li+/Mg2+），但在分離單價陽離子（如Li+/Na+或Li+/K+）時卻面臨諸多困難。此外，鋰離子的遷移往往依賴于水分解反應或氯堿過程，而高電壓的操作則顯著增加了能量消耗。

3. 自發鋰提取技術的突破

Ge Zhang等人在《Nature Water》上發表的一項研究，提出了一種全新的自發鋰提取和富集鹽水的技術。他們的創新之處在于，利用電極反應充分利用由于反離子濃度差所帶來的巨大滲透能量，從而實現鋰的提取并同時產生能量。這一過程不僅提高了鋰的提取效率，還大幅度降低了能量消耗，開創了鋰資源回收的新模式。

3.1 自發鋰提取的工作原理

在這一自發鋰提取過程中，研究團隊采用了一對Ag/AgCl電極來存儲和釋放Cl–，并利用Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3（LAGP）膜進行鋰離子的選擇性傳輸。該膜能夠有效拒絕其他陽離子，僅允許鋰離子通過，從而實現了高選擇性的鋰提取。整個鋰提取過程在開路條件下完成，電池的開路電壓（OCV）成為關鍵因素。研究者通過熱圖分析OCV，推導出平衡條件，進而建立了基于Gibbs-Donnan效應的熱力學模型，該模型與實驗結果高度一致，為自發鋰提取提供了理論基礎。

3.2 提高提取效率的策略

為了克服高電阻與低OCV之間的矛盾，研究團隊在進料溶液中增加了鹽濃度，同時在接收溶液中添加了100 mM的NH4HCO₃電解質。這樣的設計使得阻抗下降近兩個數量級，而驅動力并未受到損失。恒流放電測試也證明了這一自發鋰提取過程從中提取能量的可行性。實驗顯示，隨著循環次數的增加，提取過程中能量輸出逐漸降低，平均能量輸出約為每摩爾鋰1.6 Wh。這一結果表明，自發鋰提取不僅具備高效性，還有助于實現能源的回收。

4. 自發鋰提取的優勢與前景

Zhang等人提出的自發鋰提取過程，相較于其他DLE方法，具有以下顯著優勢：

1）高選擇性與提取速率：通過使用鋰選擇性膜和氯存儲電極，鋰的提取效率大幅提升。

2）凈能量輸出：該過程實現了負能耗，即在鋰提取的同時產生能量，具有可持續發展的潛力。

3）簡化的操作流程：自發鋰提取過程的實施不需要復雜的電解設備，使其在實際應用中具備較高的可操作性。

5. 面臨的挑戰與未來研究方向

盡管自發鋰提取技術展現了極大的潛力，但在實際應用中仍面臨挑戰。鹽湖水的復雜組成可能對膜材料造成不可逆損害，因此，研究者需要開發出更為穩定的鋰選擇性膜，以應對實際鹽湖水的條件。此外，開發低成本的氯存儲電極，如BiOCl和層狀雙氫氧化物，也將有助于降低整體成本。

最重要的是，為了提高自發鋰提取技術的處理能力，可以考慮引入類似于反向電滲析的堆疊裝置結構。這種設計將消除電極切換步驟，實現可擴展性和完整連續性，從而大幅提升鋰的提取效率。

綜上所述，自發鋰提取技術以其負能耗和基于Gibbs-Donnan效應的熱力學模型，為鋰資源的回收開辟了新的方向。這一技術的創新性突破了傳統鋰提取需消耗能量的固有觀念，展現了利用離子分離中的內在能量，顯著降低回收各種有價值元素成本的可能性。隨著鋰需求的不斷增加，這一自發鋰提取技術無疑將在未來的鋰資源回收領域發揮重要作用，為實現全球碳中和目標貢獻力量。

P Wang, W., Shao, L. Lithium extraction with energy generation. Nat Water (2024).