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2024年12月12日，南京大學周豪慎教授、何平教授等人在Nature上發表了一篇題為“Lithium extraction from low-quality brines”的綜述長文。

本文綜述了從苛刻但有前途的來源提取鋰的最新進展和持續的挑戰，涵蓋了各種方法，包括沉淀、溶劑提取、吸附、膜分離和電化學分離。同時，還根據分離工藝的基本原理，展望了鋰提取技術的未來發展。

研究內容

鋰因其輕質和低電化學電位而成為鋰離子電池不可或缺的材料，這些電池不僅用于電動汽車，也用于與風能、太陽能等可再生能源結合的電網儲能，支持全球減排和能源可持續性。鋰離子電池行業的擴張導致鋰需求激增，預計到2050年需求將增長八到十倍。然而，現有鋰資源的開采方法能耗高、環境影響大，且可能無法滿足未來需求。全球鋰資源分布集中，增加了供應安全和環境挑戰。因此，開發從低品質鹵水中提取鋰的新技術變得尤為重要，這些方法旨在提高提取效率，減少環境影響，并確保鋰資源的可持續供應。這包括改進傳統蒸發–沉淀技術，以及開發無需預濃縮的直接鋰提取技術。通過這些技術進步，可以更好地利用低品位鹵水中的鋰資源，推動可持續的鋰生產，滿足能源存儲系統的需求，并支持全球向更清潔、更可持續的能源未來轉變。

其中，本文提出了“低品質鹵水”概念，指的是鋰濃度低于0.26 g/l，或鎂鋰比（Mg/Li）高于6.15的鹵水資源，通常包括沉積水、地熱燃料、油田產水、海水和鹽湖中發現的鹽水。這些鹵水雖然鋰含量較低，但其總儲量巨大，并且在全球范圍內分布廣泛。但由于其廣泛的儲量和廣泛的地理分布而具有巨大的潛力，但由于低鋰濃度和高鎂鋰比，從這些來源提取鋰帶來了技術挑戰。

圖1：現有不同鋰提取方法的總結。

圖1展示了從近期研究中收集的數據，這些研究專注于從低品位鹵水中提取鋰，繪制了不同研究中原料和結果溶液的Mg/Li比率和鋰濃度。紫色數據點反映了在選擇性沉淀劑的開發上取得了顯著進展，這些沉淀劑有助于從Mg/Li比率超過1000的來源中增強鋰的回收。然而，原料溶液中鋰濃度的下限為0.1g/l，這一限制歸因于沉淀反應的溶度積約束和關于鋰產量與沉淀劑成本的經濟考慮。溶劑萃取方法在選擇性和效率方面顯示出一個閾值，這從處理Mg/Li比率≥100和鋰濃度≤0.02?g/l的原料溶液的研究缺乏中可以看出（由橙色點表示）。相比之下，吸附、基于膜的分離和基于電化學的分離已證明在從海水級源中提取鋰方面是有效的。

溶劑萃取

溶劑萃取是一種廣泛使用的分離技術，它利用目標離子在不相混溶溶劑中的溶解度差異，并且已經適應于鋰的提取。它涉及將鹵水與溶劑（萃取劑）混合，這些溶劑特別溶解Li⁺同時有效地排斥其他陽離子。選擇性來自于Li⁺與萃取劑之間更強的相互作用，以及其他陽離子（特別是Mg²⁺）在進入萃取劑相時脫水的更大難度。然后，富含鋰的萃取劑經過脫除溶液處理以回收鋰，從而為萃取劑的再利用做準備（圖2a）。

其中，具有特定環結構的冠醚顯示出對Li⁺與其他離子的選擇性螯合偏好（圖2b）。然而，它們的可行性受到干擾ML2結構和高合成成本的限制。一個更有效的方法涉及將它們嵌入到基質中以形成選擇性微結構，這些微結構有助于Li⁺的通過，同時阻礙Mg²⁺。協同提取系統的開發大大增強了使用溶劑萃取從低品位鹵水中回收鋰的可行性，在典型的協同提取過程中，使用幾種萃取劑和輔助試劑的混合物。一種萃取劑與Li⁺螯合，第二種萃取劑中和電荷，并幫助去除復合物中剩余的配位水，減少其親水性，并在萃取劑相中富集鋰。

圖2：萃取法和吸附法實現鋰提取。

圖3：膜分離技術。

圖4：電化學方法的鋰離子提取技術。

圖5：鋰提取的基本原理。

到目前為止，五種最常被研究的鋰提取方法，并注意到一些方法顯示出了有希望的結果。盡管如此，為了開發更有效的鋰提取技術，擴大對現有技術之外的探索，并從基本的分離–濃縮原理的角度重新評估這個問題至關重要。

如圖5所示，從共溶解的陽離子中分離鋰，特別是Mg²⁺，涉及系統經歷三個階段：（1）初始階段，Mg/Li比率高且鋰濃度低（原料溶液）；（2）涉及質量轉移和/或動力學過程的過渡狀態，例如脫水；（3）最終階段，鋰被富集且鎂水平降低（富集溶液）。每個階段都提供了開發策略以增強分離效果的機會。在初始階段，輸入外部能量，如液壓壓力或電場，可以促進質量轉移和動力學過程。在過渡狀態期間，可以建立動力學過程的能量障礙，例如膜或吸附劑上的微觀結構，以篩選不需要的離子，利用陽離子之間的脫水能量、電荷密度和擴散性的差異。此外，可以創建或設計最終階段，為鋰提供一個熱力學上有利的環境，同時通過利用晶格能量、螯合能量或離子之間的溶解度差異，在能量上排除共溶解的離子。顯然，本文綜述中討論的五種鋰提取方法每一種都利用了不同階段的一或多種策略。更重要的是，這個框架為理解各種鋰提取方法背后的機制提供了合理和科學的依據，包括不屬于這五個類別的新興技術。

作者預測，通過在這些領域的持續研究和開發努力，從低品質鹵水中提取的鋰將成為鋰可持續生產和使用的實質性貢獻者，這反過來將確保儲能系統的可靠供應，并促進全球向更清潔和更可持續的能源未來的轉變。

作者簡介

唯一完成單位！南京大學周豪慎/何平，重磅Nature!

周豪慎教授，現任南京大學現代工程與應用科學學院長江講座教授，日本國立東京大學特任教授，日本國立產業技術綜合研究所（AIST）首席研究員。研究方向為物理化學與能源化學。長期致力于電化學能量轉換與存儲的物理化學基礎和應用研究，在高比能電池體系設計、界面電化學反應機制和電極材料構筑領域做出了創新性和系統性的科學貢獻。

網址：https://eng.nju.edu.cn/zhs/main.htm

唯一完成單位！南京大學周豪慎/何平，重磅Nature!

何平教授，現任南京大學教授，主要研究領域為新能源材料電化學與高比能電池技術，涉及鋰離子電池、鋰-空氣電池、鋰-硫電池、全固態電池等電化學儲能體系和海（鹵）水提鋰技術。在能源材料及化學領域的國際刊物發表SCI論文180余篇，其中以通訊作者身份在Nat Commun, Sci Adv, Joule, Angew Chem In Ed, Energy Environ Sci, Adv Mater等國際權威刊物發表論文70余篇。

網址：https://eng.nju.edu.cn/hp/main.htm

文獻信息

Yang, S., Wang, Y., Pan, H.et al.?Lithium extraction from low-quality brines.?Nature,

原創文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/12/16/d2d337af62/

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唯一完成單位！南京大學周豪慎/何平，重磅Nature!

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