南京大学朱嘉团队最新Science：利用自然阳光从盐水中提取和储存锂

锂电池在可再生能源基础设施中的核心地位激发了人们对更高效的锂资源获取方法的研究。海洋中含有大量的锂盐，但由于浓度相对较低，很难从钠和镁中分离出来。随着可再生技术对锂的需求不断增加，锂提取必须对环境和社会负责，以确保可持续发展。目前，锂主要通过热化学途径从硬岩矿石或通过蒸发过程从盐水中获取。87%的锂开采设施采用蒸发法，其动力学有限，用水量大，仅适用于高档盐水。从各种盐水中提取锂的可持续技术对于确保清洁可靠的锂供应至关重要。

在自然界中，许多生命系统已经进化到能够有效地提取特定物种。特别是盐生植物，一种在盐碱环境中生长的植物，已经发展出一种提取-储存-释放(ESR)机制，可以在不受伤害的情况下从高盐度的土壤或水中吸收养分。它们像其他植物一样利用蒸腾作用来提取营养，但它们也有专门的器官来储存和排出体内多余的盐。这种额外的盐储存和释放机制对盐生植物在盐水中生存至关重要，使得盐生植物不会因干旱而死亡。

受大自然在蒸腾作用中选择性提取物种的能力的启发，近日，南京大学固体微结构国家重点实验室朱嘉教授与美国加州大学伯克利分校土木与环境工程系米宝霞教授团队在Science期刊上发表题为“Solar transpiration–powered lithium extraction and storage”的文章，报道了一种太阳能蒸腾驱动的锂提取和储存(STLES)装置，该装置可以利用自然阳光从盐水中提取和储存锂，不需要耕地或者额外的能源输入。具体来说，该装置使用分层结构的太阳能蒸发器来产生压力梯度，从而允许从盐水中提取锂，并将其储存在血管储存层中。长期实验、各种膜测试和不同尺寸评估证明了该材料的稳定性、兼容性和可扩展性。这种太阳能采矿技术为关键资源的可持续开采提供了另一种发展途径。

图1.太阳能蒸腾驱动的锂提取和储存(STLES)装置的概念与设计© 2024 AAAS

图2. 太阳能蒸发器及锂储层的设计与表征© 2024 AAAS

图3. 器件制造及锂提取性能© 2024 AAAS

图4. STLES的兼容性和可扩展性© 2024 AAAS

该项工作报道了一种 STLES 装置的设计及演示，该装置能够在环境条件下利用自然阳光从盐水中提取锂，无需耕地，且产生的温室气体近乎为零。STLES 相较于当前及新兴的锂提取方法具有若干优势。首先，一经安装，其被动模式能够实现具有成本效益、能源效益和碳效益的锂开采。这种被动工作模式不仅降低了运营成本，还减少了对外部能源供应的依赖，使得整个过程更加高效和环保。其次，它能够与现有的蒸发池无缝集成，而现有蒸发池在 87%的锂开采设施中均有应用，从而降低了安装成本。这一整合能力大幅度降低了新的设备安装成本，同时也提高了资源利用效率，有助于加速技术推广。其三，它能够漂浮在盐水上，减少了土地占用。在全球日益紧张的人口压力及土地资源竞争背景下，这一点尤为重要。此外，漂浮式结构还可能带来更好的热量吸收效果，提高整体能量转化效率。最后，预计在 STLES 中使用高蒸腾压蒸发器（例如水凝胶膜）将有助于处理渗透压高达 400 bar的高盐盐水，这一压力是当前膜过滤系统压力极限的五倍。这意味着，通过引入先进材料和技术，可以显著拓宽适用于不同类型盐水源进行锂提取的方法，为未来开发更多高效、经济且环保的新型锂获取途径奠定基础。综上所述，本研究展示了一种创新性的解决方案，不仅推动了清洁能源材料的发展，也为应对全球日益增长的电动车及储能需求提供了一条切实可行之路。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7034