隨著消費電子、新能源汽車等產業飛速發展，鋰資源快速消耗，在可見的未來將面臨供給不足問題。而海水中蘊含的鋰資源是陸地的1.6萬倍，如能有效開發，將有效解決後顧之憂。
來自南京大學的3位科學家研發了一種全新的“海水提鋰”技術，為海洋鋰資源開發開闢了全新道路。2018年7月27日，這一研究成果在能源領域頂級學術刊物《Cell》的子刊《Joule》上在線發表。論文作者之一、南京大學現代工程與應用科學學院教授何平說，海水中含有極為豐富的鋰資源，但單位鋰濃度卻很低，只有0.1-0.2ppm（1ppm等於溶質質量佔全部溶液質量的百萬分之一），這導致很難從海水中提取鋰。現有的海水提鋰技術無法滿足新型鋰電池技術對鋰資源的大量需求。
在前人研究的基礎上，何平與周豪慎教授、2015級博士生楊思勰一起，提出了一種以太陽能為驅動能，基於“組合電解液”思路和離子選擇性固體薄膜的恆流電解技術，成功從海水中提取了金屬鋰單質。
據介紹，該團隊設計的組合電解液由陰極區和陽極區組成，中間用固態電解質陶瓷膜分隔，陶瓷膜僅允許鋰離子通過。然後，採用微型可調諧太陽能板恆流電源向陰極和陽極之間施加恆定電流，使陽極區海水中的鋰離子源源不斷地通過固體陶瓷膜，在陰極的銅片表面還原生成金屬鋰單質。 “與傳統方法只能得到鋰鹽或鋰化合物相比，新技術具有可直接提煉金屬鋰、提煉速度可控、適合大規模生產製備等優勢。此外，由於通過太陽能轉化為電能來收集和存儲鋰，是一種清潔綠色的能源利用方式。”何平說。
圖1
圖1：(A)鋰資源在2015~2050年間的預期年消耗量和總消耗量曲線；(B)海洋和陸地中鋰資源儲量對比圖，陸地上鋰資源分佈不均，主要分佈在智利、中國、阿根廷和澳大利亞。
圖2
圖2：(A)太負能驅動的電解法海水提鋰裝置原理示意圖；(B)裝置單體示意圖，自上而下分別為太負能板、有機電解液正極區、陶瓷選擇性膜、海水負極區，整個裝置可以利用橡皮圈浮於海面；(C)海上大量裝置排列的假想圖。
電解過程中，正極上發生鋰離子的還原反應：
Li++e-→Li
而負極上則海水的氧化反應：
2Cl-→Cl2+2e-
2OH-→H2O+0.5O2+2e-
Cl2+H2O→HClO+H++Cl-
圖3
圖3：(A)在80、160、240和320μA·cm-2電流密度下的電位-時間曲線(插圖為在80μA·cm-2電流密度下電解1h的電極照片)；(B)每平方釐米銅片上的金屬鋰產量；(C)沉積產物在氬離子刻蝕前後Li的XPS表徵圖；(D)正極沉積產物在氬離子刻蝕前後Li和Na的XPS表徵圖；(E)沉積產物的XRD表徵圖(Al峰來自於氣氛保護裝置的樣品臺)
在海水提鋰的過程中，銅片表面有銀白色物質生成，經XPS和XRD分析可知，銅片表面的沉積物為金屬鋰。在80、160、240和320μA·cm-2電流密度下的電解電壓分別為4.52V、4.75V、4.88V和5.28V，金屬鋰產量分別為1.9、3.9、5.7和1.2mg·dm-2·h-1(圖3)。
當電流密度超出一定閾值的情況下，例如320μA·cm-2，正極會發生嚴重的副反應(電解液分解)，導致鋰產量降低。可見該海水提鋰的技術優勢在於可以直接得到金屬鋰單質，金屬鋰單質中已經蘊藏從太負能轉化而來的化學能，可以通過鋰-硫電池或鋰-空氣電池等新型電池體系釋放。
該項研究得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和江蘇省優勢學科項目的資助。雖然由於生產成本、市場需求等原因，海水制鋰距離產業化應用還有很長距離，但作為一項前瞻性科學研究，該技術的發明為海洋鋰資源開發開闢了全新的道路。
文章轉自：南京日報
園區發佈群：43406906
更多精彩，歡迎加入！
閱讀更多 園區發佈 的文章
