EES⎜界面太阳能蒸发驱动盐湖卤水提锂以生产电池级碳酸锂

研究背景

锂，被誉为“白色石油”，是陶瓷、医药以及特别是快速扩张的锂电池产业的关键原材料。随着全球锂电池市场的蓬勃发展，对锂的需求急剧增加，使得寻找多样化、高效的锂资源提取渠道变得至关重要。盐湖卤水的巨大潜力与开采困境： 盐湖卤水是全球最重要的锂资源库，蕴藏着约70%的可开采锂储量。然而，从盐湖中提锂面临巨大挑战，主要是因为卤水中含有高浓度的竞争性离子，如镁离子(Mg2+)、钠离子等，它们与锂离子的物理化学性质相似，难以分离。

现有技术的瓶颈：当前主流的吸附法提锂技术存在对锂离子的选择性不佳的问题，导致提锂效率和纯度受限。提锂过程中的洗脱（将吸附的锂洗下来）和材料再生等步骤需要消耗大量淡水。而全球主要的盐湖分布区多为干旱和半干旱的高原地区，淡水本身就是极其宝贵的资源，这构成了严重的环境和成本制约。 另一种相关技术——界面太阳能蒸发（ISDE），虽然能利用太阳能高效生产淡水，但在处理高盐度卤水时，蒸发器表面极易发生盐结晶和积垢（即“盐堵塞”），这会严重降低光吸收和蒸发效率，并缩短设备寿命。

因此，该研究的出发点是开发一种新型、高效、环保的技术，旨在同时解决盐湖提锂过程中的选择性差、淡水消耗大和盐堵塞三大核心难题 。

相关工作以Interfacial solar evaporation-driven lithium extraction from saltlake brines for battery-grade Li2CO3 production为题发表在《Energy & Environmental Science》期刊。（JCR一区, 中科院一区TOP, IF=30.8 ）

研究内容

为了应对上述挑战，研究团队设计并构建了一套集成的太阳能驱动提锂与淡水生产系统。

核心部件：3D功能蒸发器的设计与构建

研究人员设计了一种创新的三维（3D）蒸发器，其结构精巧，由两种功能相反的材料交替堆叠而成：一种是亲水的大孔水凝胶（CCH），另一种是超疏水的海绵（O-Sponge） 。CCH层是核心功能层，由三种成分构成：1）聚乙烯醇（PVA）作为骨架；2）碳黑（CB）用于高效吸收太阳光并将其转化为热能（光吸收率高达97%）；3）钛酸（H2TiO3, HTO）作为锂离子筛，负责选择性地捕捉锂离子。O-Sponge层作为隔水层，阻止水分和盐分的渗透。亲水棉线穿插并固定整个结构，同时扮演着“盐分定向导出通道”的关键角色。

工作机理：太阳能驱动的协同分离过程

蒸发与泵送： 顶层的CCH吸收太阳光后迅速升温，驱动界面水分快速蒸发，这种蒸发效应产生强大的“毛细泵”作用，将下方的盐湖卤水持续不断地泵入蒸发器内部。选择性吸附： 当卤水流经CCH层时，其中的锂离子被HTO离子筛精准地捕获。定向排盐： 其他杂质离子（如Mg2+, Na+, Ca2+等）无法被HTO吸附，同时被超疏水的O-Sponge层阻挡，只能被迫迁移到亲水棉线中。由于O-Sponge层温度更高，棉线与O-Sponge接触界面的水分蒸发更快，导致这些杂质盐在棉线上定向结晶析出，从而使蒸发主表面保持洁净，避免了盐堵塞。闭环水循环： 蒸发产生的水蒸气是纯净的淡水，研究人员将其收集起来，用于后续洗脱CCH上吸附的锂离子以及材料的再生，从而构成了一个淡水自给自足的闭环系统，无需任何外部淡水供应。

性能验证：从实验室到户外实证

研究人员在实验室中系统地测试了该蒸发器在不同盐度、不同镁锂比例的模拟卤水以及多种真实盐湖卤水中的蒸发性能和提锂效果。他们进行了长达40次的循环吸附-解吸实验，验证了材料的稳定性和可重复使用性。最关键的是，团队在中国武汉利用真实的太阳光和从东台吉乃尔盐湖取来的卤水进行了户外实证测试，成功地在自然条件下实现了提锂和淡水收集，并最终制备出高纯度的碳酸锂产品。

研究数据

图1.(a) 太阳能蒸发驱动的盐湖卤水提锂与淡水生产及回收的路线示意图。 (b) 由亲水性CCH、超疏水性O-sponge和亲水性棉线组装而成的3D蒸发器示意图，该蒸发器具有交替的超亲水/超疏水结构，用于从盐湖卤水中提取锂。 (c) 蒸发器通过太阳能驱动蒸发增强对锂的选择性捕获，并实现其他阳离子定向盐结晶的原理图。 (d) CCH层和超疏水性O-Sponge的扫描电镜（SEM）图像。 (e) 3D蒸发器的实物照片（侧视图和顶视图）。 (f) CCH、CH和O-Sponge的光吸收性能。

图2.盐水中3D蒸发器的太阳能蒸发性能。（a）水接触角、滚动角和液滴冲击测量在疏水性O型海绵上。（b）样品在1.0太阳光照射下的温度曲线。插图显示了CCH的红外图像。 （c） 太阳能蒸发过程中3D蒸发器热量分布的模拟结果。（d）蒸发速率和盐结晶盐水中三维蒸发器的动力学（东太吉纳尔盐湖）（e）盐水中其他配置的蒸发器的蒸发率与时间的关系。 插图显示了蒸发器上盐晶体形成的图像。（f）和（g）蒸发器在模拟盐水中的蒸发性能（f） 各种Mg2+/Li+比率（盐度100 g L-1）和（g）盐度（Mg2+/Li+比率：50）。误差条是蒸发率的标准偏差在三次平行测量中。（h）3D蒸发器在各种盐湖盐水中的蒸发性能。误差条是标准三次重复的蒸发速率和效率的偏差。

图3.(a) 3D蒸发器的锂吸附动力学（200 ppm, pH=12）。误差棒代表三次重复实验的锂吸附量的标准偏差。 (b) 3D蒸发器中HTO提取锂的机理。 (c) 锂吸附前后CCH的高分辨率XPS谱图。点为实验数据，实线为拟合结果。 (d) 和 (e) 在模拟卤水中的锂吸附量和选择性，测试条件分别为(d)不同 Mg2+/Li+ 比例（盐度为50 g L-1）和(e)不同盐度（Mg2+/Li+ 比例为50）。误差棒代表三次重复实验的锂吸附量和选择性的标准偏差。 (f) 3D蒸发器在处理多种盐湖卤水时的锂吸附量和选择性。 (g) CCH在循环使用过程中的锂吸附量、洗脱效率和选择性。 (h) 3D蒸发器与以往具有提锂和淡水生产功能的蒸发器（见补充材料表S9）的总体性能对比。

图4.(a) 用于户外测试的设备示意图。 (b) 3D蒸发器在户外处理来自东台吉乃尔盐湖的过滤和未过滤卤水时的锂吸附量。插图显示了经过长期太阳能驱动蒸发后，3D蒸发器实现了完全的盐水分离。 (c) 在户外实验中，3D蒸发器处理盐湖卤水时的吸附容量和分离因子。 (d) 所获得的 Li2CO3 粉末的XRD图谱。插图为 Li2CO3 粉末的照片。 (e) 在户外重复使用中的锂吸附量和选择性。 (f) 有和没有定向盐结晶功能的3D蒸发器内部的模拟离子扩散情况。 (g) 对于有和没有定向盐结晶功能的3D蒸发器，随着蒸发进行，离子浓度的演变情况。

研究结论

该研究工作取得了显著的成功，主要结论如下：

成功开发出一种高效能集成系统： 研究团队成功设计并验证了一种基于界面太阳能蒸发的3D蒸发器，该系统能够高效、可持续地从盐湖卤水中提取锂。其太阳能到蒸汽的转换效率高达91.8%，在真实卤水中的蒸发速率稳定在2.86 kg m-2 h-1。

实现了卓越的提锂性能： 独特的定向排盐机制极大地促进了离子分离，使得该系统对锂的选择性超过400，锂的吸附容量在户外实测中达到了24.7 mg g−1，各项指标均显著优于传统方法。

解决了行业核心痛点： 该系统通过收集和循环利用蒸发产生的淡水，实现了零额外淡水消耗的闭环操作，解决了传统提锂技术对水资源的依赖问题。同时，定向盐结晶功能有效避免了盐堵塞，保证了系统的长期稳定运行。

具备高度的经济和环境可行性： 最终产品碳酸锂的纯度高达99.7%，满足电池级应用的严苛要求。经济分析表明，该技术生产一吨碳酸锂的成本约为4283美元，远低于其他直接提锂技术，显示出优异的经济潜力。

综上所述，这项研究提供了一个绿色的、经济可行的盐湖提锂解决方案，为应对全球锂资源需求和环境保护的双重挑战提供了一条极具前景的技术路径。

https://doi.org/10.1039/D5EE04165A

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