顶刊 1！Nature南大团队发文：低质量卤水中提取锂资源

2024年12月12日，由南京大学现代工程与应用科学学院的周豪慎教授、何平教授、功能材料与智能制造研究院的助理教授组成的团队在Nature期刊上发表了一篇题为《Lithium extraction from low-quality brines”综述长文。

目前，可再生资源发展迅速。周豪慎教授和何平教授领导的团队长期致力于海水和卤水锂技术的研发，针对锂作为电池核心材料面临的供需失衡、挖掘过程中能耗高、污染高、能耗严重等一系列问题。该团队对已知的含锂水域及其相应的锂技术进行了深入全面的探讨，首次提出了“低质量卤水”的概念，并指出了其在全球锂资源可持续供应中的关键作用。在此基础上，该团队通过大量数据的可视化分析，对许多针对低质量卤水锂源的新型锂提取技术进行了详细的梳理和比较，总结了各种技术面临的痛点和挑战。更重要的是，团队系统分析了各种技术路线背后的物理化学机制，从分离过程的基本原理出发，阐述了锂元素与影响离子的分离原理和策略，提出了锂离子分离的驱动力和能级差理论，为未来新型锂资源提取技术的发展提供了方向。为什么平教授和周豪慎教授是这项研究的通讯作者，南京大学是这项工作的唯一完成单位。2020级博士生王义钢是我校功能材料与智能制造研究院助理教授、现代工程与应用科学学院2020级博士生的第一作者，2021级博士生潘慧也为这项工作做出了重要贡献。

低品质卤水：锂资源宝库储量大但提取困难。

图1 低品质卤水的巨大储量和现阶段提取技术的局限性

通过调查分析世界主要水质锂资源开发情况的公开数据，团队从水质挖掘程度和技术的角度提出了“低质量卤水”的概念，即锂浓度低于0.26 g/l，或镁锂比（Mg/Li）卤水资源高于6.15，通常包括海水、沉积水、地热液、油田产水和一些盐湖卤水等。虽然这类卤水锂含量较低，但总储量较大，并在全球范围内广泛分布。所以，这些资源被称为未来应对锂短缺、补充锂供应的潜在来源。

但由于锂在低质量卤水中的浓度较低，与其他离子，尤其是镁离子有很强的竞争关系，传统的锂提取方法(如挥发性沉淀法)适用于高质量卤水，一般很难有效地从低质量卤水中提取锂。因此，如何高效环保地从这些复杂的低质量卤水中提取锂，已经成为全球研究的重要课题。

技术创新：目前研究成果的总结与分析

图2 当前工作中各种技术路线的锂提取性能汇总对比

在这项研究中，作者首先系统总结了低质量卤水中锂提取的研究进展，通过数据可视化呈现了不同提取技术的优缺点，分析了应用价值和问题。本文重点介绍了以下提取技术:

沉淀法

开发新型沉淀体系

本文对沉淀法提锂技术进行了评价。沉淀法是从盐湖卤水中提取锂的传统方法，但由于镁离子浓度高，在低质量卤水中，沉淀法的回收效率普遍较低。通过开发新型沉淀剂和优化反应条件，传统技术试图提高镁离子的去除效率，减少锂的损失。文章指出，虽然这些方法在某些特定条件下取得了一定的进展，但大多数低质量的卤水仍然需要通过新的沉淀方法提取锂，因为低质量卤水中锂浓度和溶度积的限制。

萃取法

选择性地用溶剂捕捉锂离子

萃取法广泛应用于从卤水中提取金属离子。文章提到，近年来，研究人员通过设计新型溶剂，特别是以TBP-FeCl3(磷酸三丁酯-氯化铁)为代表的协同提取体系，显著提高了从低质量卤水中提取锂的效率。本文详细分析了几种常用的溶剂系统及其在不同情况下的表现，指出虽然溶剂提取法可以提高锂回收率，但使用的有机提取物和酸液洗脱剂经济环境成本较高，一方面应注意降低上述成本，另一方面应注意提取物的分子结构设计，以提高其选择性和提取效率。

图3 采用低质量卤水提锂法和吸附法的基本原理及技术路线

吸附技术

锂电池电极材料有效捕捉锂离子

通过设计特定的吸收剂，吸附法可以有效地捕捉锂离子，并有选择地排除其它离子。本文对多种新型吸附材料进行了总结，尤其是基于锂离子交换原理的吸收剂。数据分析显示，特定的吸收剂(如锰酸锂、钛酸锂等。)基于锂电池电极材料，可以优先吸收低镁锂比卤水中的锂离子，从而提高锂的提取效率。吸附法的优点是操作方便，成本相对较低，但在低锂浓度卤水中的应用仍然面临着选择性和吸附能力的限制。另外，吸收剂在长期使用过程中的自身可靠性以及如何有效地将吸收剂从尾液中分离出来，也是在产品化过程中需要优化和解决的问题。

膜分离技术

在电场加持下提高效率

通过调节膜的孔径和表面功能，基于膜的分离技术使锂离子优先于复杂水溶液，而其它离子则被排除在外。本文回顾了锂提取中膜分离技术的应用进展，特别是选择性渗透膜的孔径和表面功能控制离子，能有效分离低质量卤水中的锂离子。此外，作者特别强调电场作为膜分离推动力，在建立多级分离系统和使用锂离子固态电解质进行分离方面具有优势，并指出其在大规模应用中的成本和能耗问题仍需进一步解决。

图4 膜分离技术

电化分离技术

选择和设计反应系统

本文还探讨了基于电化学的分离技术及其在低质量卤水提锂方面的关键潜力。类似于吸附法，这种方法基于锂电池电极材料提取锂离子的选择性，但同时可以通过添加电压更准确地调节电极材料的工作电位，从而进一步提高系统的选择性，提高提取速度。由于引入了电化学反应，作者强调了从工作电位的角度选择工作电极材料的重要性，并从反应产品的角度分析整理了辅助电极的类型和相关的电化学反应设备构型。

图5 锂提取基于电化学分离技术

未来锂提取技术的发展趋势

图6 分离原理和策略以及影响离子的锂元素。

论文的最后，作者总结了当前技术的挑战和未来的研究方向。他们指出，虽然低质量卤水锂提取技术的发展明显推动了材料创新、多级提取、多技术、多资源协同提取等方案的发展，但目前该领域仍面临一些阻碍其大规模产品化的关键问题，如提高提取效率、节约成本、提高运营条件等。未来的研究需要重点提高提取过程的经济性，缩短生产周期，进一步减少环境影响。与此同时，作者从源液(初始状态)的分离过程中、从中间相(过渡状态)和浓缩液(最后状态)三种状态出发，系统分析了包括推动力、脱水能、晶格能、扩散速率在内的不同机制，阐述了锂元素和影响离子的分离原理和方法策略。推动力(接口张力、热蒸发、电场力、机械水压、化学势差等)。)和锂离子分离的能级差理论提出，为后续开发新型锂提取技术提供了新的思路。

该工作受到国家重点R&D项目“新能源汽车”专项项目、国家自然科学基金委重点项目、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金支持。

文章链接(点击文章末尾的“阅读原文”查看全文)：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08117-1

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原题：《顶刊》 1！Nature南大团队发文：低质量卤水中提取锂资源

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