南京大學朱嘉團隊最新Science：利用自然陽光從鹽水中提取和儲存鋰

鋰電池在可再生能源基礎設施中的核心地位激發了人們對更高效的鋰資源獲取方法的研究。海洋中含有大量的鋰鹽，但由于濃度相對較低，很難從鈉和鎂中分離出來。隨著可再生技術對鋰的需求不斷增加，鋰提取必須對環境和社會負責，以確保可持續發展。目前，鋰主要通過熱化學途徑從硬巖礦石或通過蒸發過程從鹽水中獲取。87%的鋰開采設施采用蒸發法，其動力學有限，用水量大，僅適用于高檔鹽水。從各種鹽水中提取鋰的可持續技術對于確保清潔可靠的鋰供應至關重要。

在自然界中，許多生命系統已經進化到能夠有效地提取特定物種。特別是鹽生植物，一種在鹽堿環境中生長的植物，已經發展出一種提取-儲存-釋放(ESR)機制，可以在不受傷害的情況下從高鹽度的土壤或水中吸收養分。它們像其他植物一樣利用蒸騰作用來提取營養，但它們也有專門的器官來儲存和排出體內多余的鹽。這種額外的鹽儲存和釋放機制對鹽生植物在鹽水中生存至關重要，使得鹽生植物不會因干旱而死亡。

受大自然在蒸騰作用中選擇性提取物種的能力的啟發，近日，南京大學固體微結構國家重點實驗室朱嘉教授與美國加州大學伯克利分校土木與環境工程系米寶霞教授團隊在Science期刊上發表題為“Solar transpiration–powered lithium extraction and storage”的文章，報道了一種太陽能蒸騰驅動的鋰提取和儲存(STLES)裝置，該裝置可以利用自然陽光從鹽水中提取和儲存鋰，不需要耕地或者額外的能源輸入。具體來說，該裝置使用分層結構的太陽能蒸發器來產生壓力梯度，從而允許從鹽水中提取鋰，并將其儲存在血管儲存層中。長期實驗、各種膜測試和不同尺寸評估證明了該材料的穩定性、兼容性和可擴展性。這種太陽能采礦技術為關鍵資源的可持續開采提供了另一種發展途徑。

圖1.太陽能蒸騰驅動的鋰提取和儲存(STLES)裝置的概念與設計? 2024 AAAS

圖2. 太陽能蒸發器及鋰儲層的設計與表征? 2024 AAAS

圖3. 器件制造及鋰提取性能? 2024 AAAS

圖4. STLES的兼容性和可擴展性? 2024 AAAS

該項工作報道了一種 STLES 裝置的設計及演示，該裝置能夠在環境條件下利用自然陽光從鹽水中提取鋰，無需耕地，且產生的溫室氣體近乎為零。STLES 相較于當前及新興的鋰提取方法具有若干優勢。首先，一經安裝，其被動模式能夠實現具有成本效益、能源效益和碳效益的鋰開采。這種被動工作模式不僅降低了運營成本，還減少了對外部能源供應的依賴，使得整個過程更加高效和環保。其次，它能夠與現有的蒸發池無縫集成，而現有蒸發池在 87%的鋰開采設施中均有應用，從而降低了安裝成本。這一整合能力大幅度降低了新的設備安裝成本，同時也提高了資源利用效率，有助于加速技術推廣。其三，它能夠漂浮在鹽水上，減少了土地占用。在全球日益緊張的人口壓力及土地資源競爭背景下，這一點尤為重要。此外，漂浮式結構還可能帶來更好的熱量吸收效果，提高整體能量轉化效率。最后，預計在 STLES 中使用高蒸騰壓蒸發器（例如水凝膠膜）將有助于處理滲透壓高達 400 bar的高鹽鹽水，這一壓力是當前膜過濾系統壓力極限的五倍。這意味著，通過引入先進材料和技術，可以顯著拓寬適用于不同類型鹽水源進行鋰提取的方法，為未來開發更多高效、經濟且環保的新型鋰獲取途徑奠定基礎。綜上所述，本研究展示了一種創新性的解決方案，不僅推動了清潔能源材料的發展，也為應對全球日益增長的電動車及儲能需求提供了一條切實可行之路。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7034