盖世汽车讯 据外媒报道，莱斯大学（Rice University）Elimelech实验室的研究团队开发出一种突破性的锂提取方法，以满足全球日益增长的锂需求（电动汽车电池的关键成分）。
图片来源：《Science Advances》
在发表于期刊《科学进展》（Science Advances）的研究中，研究人员通过将固态电解质（SSE）重新用作水溶液锂提取的膜材料，展示了近乎完美的锂选择性。固态电解质最初是为实现固态电池（其中没有其他离子或液体溶剂）中锂离子的快速传导而设计，但研究人员发现，固态电解质高度有序和受限的结构能使水性混合物中的离子和水实现前所未有的分离。
该研究通讯作者、土木与环境工程系Nancy and Clint Carlson教授Menachem Elimelech表示：“我们面临的挑战不仅在于如何提高锂产量，还在于如何以既可持续又经济可行的方式实现这一目标。”
为了使锂提取更环保，研究人员一直在探索直接从非常规来源（如油气田采出水、工业废水和地热卤水）中回收锂的技术。然而，这些方法在离子选择性方面一直存在问题，特别是在将锂与尺寸或电荷相似的其他离子（如镁和钠）分离时。
Elimelech及其团队开发的新方法基于固态电解质与传统纳米多孔膜之间的根本区别。传统膜依赖于水合纳米级孔隙来传输离子，而固态电解质则通过高度有序的晶体结构中的无水跳跃机制来传输锂离子。
该研究第一作者Sohum Patel表示：“这意味着锂离子可以穿过膜，而其他竞争离子甚至水都被有效阻挡。我们基于固态电解质的方法所提供的极高选择性使其成为一种高效的锂提取方法，因为能量只用于将所需的锂离子穿过薄膜。”
研究人员利用电渗析装置测试了这一现象，即外加电场驱动锂离子穿过薄膜。结果令人震惊：即使在竞争离子浓度很高的情况下，固态电解质仍能表现出近乎完美的锂选择性，在产品流中检测不到竞争离子，而这是传统膜技术无法实现的。
通过结合计算和实验技术，该研究团队探究了固态电解质为何表现出如此显着的锂离子选择性。研究结果表明，固态电解质刚性且紧密排列的晶体结构阻止了水分子和钠等较大离子通过膜结构。与锂离子电荷不同的镁离子也被发现与晶体结构不相容，因此被拒之门外。
Elimelech表示：“晶体结构就像分子筛，只允许锂离子通过。这种高度精确的尺寸和电荷排斥的结合使固态电解质膜如此独特。”
研究人员指出，虽然竞争离子不会穿透固态电解质，但它们在给料溶液中的存在阻挡了离子交换的可用表面位点，从而降低了锂通量，研究人员认为可以通过进一步的材料工程来解决这一难题。
随着锂资源愈发短缺，依赖锂离子电池的行业，包括汽车、电子和可再生能源行业，都在寻找更多的锂来源和更可持续的提取方法。基于固态电解质的膜可以在确保稳定的锂供应方面发挥关键作用，同时避免传统采矿的环境代价。
Patel表示：“通过将固态电解质集成到电渗析系统中，我们可以从一系列水源中直接提取锂，从而减少对大型蒸发池和化学密集型净化步骤的需求。这将大大降低锂生产对环境的影响，同时提高生产效率。”
研究结果还表明，固态电解质在离子选择性分离方面的应用不仅限于锂。Elimelech表示：“固态电解质中的离子选择性机制可能会启发开发类似的膜，用于从水源中提取其他关键元素。这可能为资源回收开辟一类新的膜材料。”
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