Nature Water丨仅暴露[100]晶面的LiFePO₄合成用于高效从低品位盐水中电化学提取锂的纳米片

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研究背景

锂是全球能源转型的核心材料，广泛应用于电动汽车电池与可再生能源储能系统，2023-2050年需求预计增长8-10倍至1607千吨。优质锂资源储量有限且分布不均，低品位盐水（如死海、大盐湖等）虽储量庞大，却存在Li⁺浓度低、Na⁺、Mg²⁺等干扰离子浓度为Li⁺的数百至数万倍的问题，且这些离子性质相近，传统提取方法与现有材料选择性不足，难以实现电池级锂（纯度＞99.5%）的高效分离，成为制约锂资源供给的关键瓶颈。相关工作以《Synthesis of [100]-only LiFePO₄ nanosheets for efficient electrochemical lithium extraction from low-grade brines》为题发表于《Nature Water》期刊。（JCR一区，IF=24.1）

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研究内容

研究针对全球能源转型核心的锂资源提取难题，提出轨道屏蔽导向晶面工程方案，围绕[100]-取向LiFePO₄（LFP）纳米片开展合成、优化及工业化研究，为低品位盐水锂提取提供高效经济解决方案。锂是储能电池关键材料，2023-2050年需求将增8-10倍至1607千吨，但低品位盐水（死海、大盐湖等）中Li⁺浓度低，Na⁺、Mg²⁺等干扰离子浓度为Li⁺的数百至数万倍（死海Mg/Li达800），传统LFP因取向随机，难以满足电池级锂（纯度＞99.5%）的选择性要求。核心技术上，通过冠醚分子选择性屏蔽Fe原子a、b轨道，诱导形成仅暴露（100）晶面的LFP纳米片，其晶格通道（0.44-0.66Å）适配Li⁺，且离子扩散能垒差异显著，提升筛分选择性；同时以二甘醇（DEG）替代昂贵冠醚，通过原位Fe诱导转化生成冠醚结构，实现30升体系千克级合成，产物保持高取向性，反应液可循环使用5次以上。性能方面，在5类低品位盐水中，Li/Mg、Li/Na选择性最高分别达42162、1866，提取速率随Li⁺浓度提升至7.45μmol·cm⁻²·h⁻¹，远超非取向LFP；中试中处理死海卤水的12个循环里，将Mg/Li、Na/Li摩尔比降至2.44×10⁻²、3.38×10⁻²，制备44.4g电池级Li₂CO₃，锂回收率82.1%，550次循环容量保持率76%，电流密度切换后恢复率94%。该技术价值显著，轨道屏蔽策略可推广至多种功能晶体调控，突破低品位盐水提取瓶颈，拓展死海等资源的开发价值，且DEG替代后材料成本大幅降低，经规模化优化有望具备商业化竞争力。

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研究数据

图1 | LFP 的各向异性离子扩散。a，沿[100]、[001]和[010]方向的锂离子窗口尺寸示意图。‘d1’、‘d2’和‘d3’代表特征晶格开口。这些通道的详细尺寸信息见补充图1b。蓝色和粉色多面体分别代表FeO6八面体和磷酸盐四面体。灰色球体代表锂离子。b–g， LFP 沿（100）面(b)、（010）面(c)和（001）面(d)的离子迁移路径，以及 LFP 在（100）面(e)、（010）面(f)和（001）面(g)中Li+、Na+和Mg2+的相应离子迁移能垒。

图2 | [100]面仅 LFP 的定向生长。a，FeO6规则八面体（上）和 LFP 中的FeO6八面体（下），O–Fe–O键角。紫色和红色球体分别代表Fe和O原子。b，LFP 晶格中FeO6八面体的排列。c，（100）平面上FeO6八面体的层间排列。d，100- LFP（蓝色）、 LFP（绿色）和Fe@12CE4（红色）中Fe原子d轨道的电子占据概率。e–h，不同溶剂条件下合成的 LFP 的SEM图像：乙醇(e)和含3 M(f)、20 M(g)和40 M(h)12CE4的乙醇。i，新合成的 LFP 和标准参考数据（PDF-1173）的 PXRD 图。j，LFP -40 M（左）和非定向 LFP（右）的极图 XRD 图， ϕ 旋转从0°到360°，半径 Ψ 倾斜从0°到50°。k，LFP -40 M的二维 XRD 图像。l，LFP -40 M的透射电子显微镜图像。插图：相应的选区电子衍射图表明暴露面为（100）。

图3 | 锂提取性能。a，b，高钠锂比的 GSL 盐水的离子浓度和锂提取率(a)以及离子提取选择性(b)。c，d，高镁锂比的 DSW 盐水的离子浓度和锂提取率(c)以及离子提取选择性(d)。e，f，五种不同初始锂浓度的非常规资源的离子浓度和锂提取率(e)以及离子提取选择性(f)；URG中未检测到Mg2+离子，因此没有Li/Mg的选择性。误差线表示标准差，数据为3次独立实验（n = 3）的平均值±标准差。

图4 | 铝型规模的锂萃取。a，在氘代氯仿（CDCl3）中加入不同盐（Csalt = 0.15 M）的DEG溶剂的1H NMR谱图。b，DEG溶剂（黑线）、反应后混合物（红线）和参照12CE4（蓝线）在CDCl3中的1H NMR谱图。c，从DEG溶剂系统中获得的反应后混合物的质量谱图证实了12CE4与其他多种冠醚结构的形成。m，n，a，b，c 和 d 表示化学计量系数，表明参与反应的分子数。d，从30升DEG溶剂中获得的 LFP -DEG的实验 PXRD 图。插图： LFP -DEG在乙醇溶剂中的分散照片。e，铝型规模锂萃取的示意图。FIC，流量指示器和控制器；T，温度传感器。f，[100]-仅 LFP 在12个循环中记录的极化曲线。g，萃取溶液中的离子浓度和剩余进料溶液中的锂浓度。h，不同循环中的离子萃取选择性。

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研究结论

该研究通过轨道屏蔽策略成功合成仅暴露[100]晶面的LiFePO₄纳米片，实现了低品位盐水中锂的高效选择性提取：[100]-LFP纳米片对低品位盐水（如死海卤水）的Li/Mg、Li/Na选择性最高达42162，提取速率显著优于非取向LFP，且经550次循环后仍保持76%的容量；同时采用低成本二甘醇替代冠醚实现了该材料的千克级量产，中试实验成功将死海卤水的Mg/Li、Na/Li摩尔比大幅降低，制备出44.4g电池级Li₂CO₃（纯度＞99.5%），锂回收率达82.1%；此外，该轨道屏蔽策略还可推广至其他功能晶体的晶面调控，为低品位锂资源开发提供了兼具选择性、经济性的新路径，有望缓解锂资源供给的地域与技术限制。

https://doi.org/10.1038/s44221-025-00533-5

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