文獻快訊：EES 零淡水消耗太陽能蒸發提鋰系統，實現電池級碳酸鋰（99.7%）生產

【成果掠影 & 研究背景】

鋰被譽為“白色石油”，是鋰電池產業不可或缺的戰略資源。鹽湖鹵水中蘊藏著全球約70%的可開采鋰資源，但高濃度干擾離子（特別是Mg2+）的存在使得提鋰極為困難。傳統的吸附法雖然選擇性高，但存在兩個關鍵瓶頸：一是吸附動力學緩慢，鋰離子在吸附劑內的傳質受限，導致吸附達飽和需8小時以上；二是大量淡水的消耗——在干旱的鹽湖地區，這本身就是一種不可持續的奢侈。如何在不消耗額外淡水和能源的前提下，從鹽湖鹵水中高效、選擇性地提取鋰，一直是資源循環領域的核心難題。

針對這一挑戰，研究團隊提出了一種太陽能蒸發驅動的“離子泵”策略。他們設計了一種三維功能蒸發器，核心是將鋰離子篩（HTO）嵌入具有大孔結構的冷凍交聯PVA水凝膠（CCH）中，并與超疏水海綿和親水棉線交替組裝。利用界面太陽能蒸發產生的快速水傳輸和局部高溫，鋰離子被加速輸運至吸附位點，吸附飽和時間從8小時縮短至5小時。同時，棉線上的鹽優先結晶（定向結晶）機制使Mg2+、Na+、K+、Ca2+等干擾離子被“鎖”在鹽晶體中，而Li+則被HTO選擇性捕獲。在模擬鹵水中，當Mg2+/Li+質量比達160時，鋰選擇性高達612.4。在真實鹽湖鹵水（東臺吉乃爾鹽湖）中，系統實現了24.7 mg/g的鋰吸附容量和超過400的Li/Mg選擇性。最終，通過太陽能蒸餾將吸附的鋰洗脫、濃縮，并加入碳酸鈉沉淀，獲得了純度99.7%的電池級碳酸鋰（Li2CO3），產品符合鋰電池原材料標準。整個系統僅需太陽能驅動，無需外部能源或淡水輸入，實現了提鋰-產水-材料再生-水回用的全閉環運行。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 大孔CCH水凝膠與HTO篩的協同設計：通過低溫冷凍交聯制備的CCH（平均孔徑293±137 μm），在同等HTO含量下比致密水凝膠（CH）暴露更多吸附位點，鋰吸附容量從19.3提升至27.7 mg/g（提高44%），飽和時間從360分鐘縮短至300分鐘，解決了傳統吸附劑傳質差的瓶頸。

• 無光條件下對比驗證太陽能驅動效應：在無太陽光照時，CCH在500 min內的鋰吸附容量僅15.3 mg/g，而1個太陽光照下300 min即達27.7 mg/g。這歸因于界面蒸發加速水輸運（Li+更易到達位點）和光熱升溫對吸熱吸附過程的熱力學促進。

• 定向鹽結晶機制實現選擇性飛躍：超疏水O-sponge層和親水棉線的組合使Mg2+、Na+、K+、Ca2+等干擾離子定向結晶在棉線上而非蒸發器表面。模擬計算表明，棉線接觸O-sponge處因局域高溫和快速蒸發形成離子濃度梯度，優先成核并持續吸引干擾離子，從而在CCH層為Li+保留了干凈的吸附環境，使Li/Mg選擇性從文獻報道的約65提升至413。

• 零液體排放與長期穩定性：6小時連續運行中，鹽在棉線上結晶而不堵塞蒸發表面，蒸發速率穩定在3.0 kg/m2/h，超過大多數抗鹽蒸發器。在40次吸附-洗脫循環中，鋰吸附容量穩定在25 mg/g以上，選擇性始終高于250，洗脫效率>87.5%，HTO的Ti損失<3%，CCH大孔結構保持完整。

• 戶外真實鹵水驗證與電池級產品：2024年11月武漢戶外測試（太陽輻照0.3 kW/m2）中，使用未過濾的東臺吉乃爾鹵水（含雜質顆粒），蒸發器在9小時內達23.3 mg/g吸附容量，與過濾鹵水相當（24.7 mg/g），且7天連續運行性能穩定，證明其優異抗污能力。產水電導率降至19.7 μS/cm（降低三個數量級）。最終碳酸鋰產品XRD譜圖與標準PDF卡片完全匹配，定量分析純度為99.7%，滿足電池級要求。

• 經濟性和能量回收周期分析：3D蒸發器材料成本為73美元/m2，碳酸鋰綜合生產成本約4283美元/噸，遠低于其他直接提鋰技術。以年產1000噸計，能量回收周期約2-3個月，展現出良好的工業放大潛力。

  
  

  圖1 | 太陽能蒸發驅動鋰提取系統的設計。（a）耦合淡水生成和循環利用的太陽能蒸發提鋰路線示意圖。（b）3D蒸發器結構示意圖，由親水性大孔CCH、超疏水O-sponge和親水棉線交替組裝。（c）太陽能驅動蒸發增強鋰選擇性捕獲及干擾離子定向鹽結晶的原理。（d）CCH層和超疏水O-sponge的SEM圖像。（e）3D蒸發器的數碼照片（側視和俯視圖）。（f）CCH、CH和O-sponge的光吸收性能。

  
  

  圖2 | 3D蒸發器在鹵水中的太陽能蒸發性能。（a）O-sponge的水接觸角、滾動角和液滴撞擊測試。（b）1個太陽照射下樣品的升溫曲線，插圖為CCH的紅外熱像圖。（c）太陽能蒸發過程中3D蒸發器熱分布的模擬結果。（d）在鹵水（東臺吉乃爾鹽湖）中3D蒸發器的蒸發速率和鹽結晶動力學。（e）其他構型蒸發器在鹵水中蒸發速率隨時間的變化，插圖為鹽結晶形貌照片。（f）和（g）在模擬鹵水中不同Mg2+/Li+比（鹽度100 g/L）和不同鹽度（Mg2+/Li+比為50）下的蒸發性能。（h）3D蒸發器在不同真實鹽湖鹵水中的蒸發性能。

  
  

  圖3 | 太陽能蒸發驅動鋰提取性能。（a）3D蒸發器的鋰吸附動力學（200 ppm，pH=12）。（b）HTO在蒸發器中提取鋰的機理。（c）CCH在鋰吸附前后的高分辨XPS譜。（d）和（e）在模擬鹵水中不同Mg2+/Li+比（鹽度50 g/L）和不同鹽度（Mg2+/Li+比為50）下的鋰吸附容量和選擇性。（f）3D蒸發器處理不同真實鹽湖鹵水時的鋰吸附容量和選擇性。（g）CCH在循環使用中的鋰吸附容量、洗脫效率和選擇性。（h）與已報道的具有提鋰和淡水生成功能的蒸發器性能對比。

  
  

  圖4 | 戶外太陽能驅動提鋰與定向鹽結晶。（a）戶外測試裝置示意圖。（b）在戶外條件下處理過濾和未過濾東臺吉乃爾鹵水時的鋰吸附容量，插圖為長期運行后蒸發器實現鹽-水完全分離的照片。（c）3D蒸發器在鹽湖鹵水中對各共存離子的吸附容量和分離因子。（d）所得碳酸鋰粉末的XRD圖譜和實物照片。（e）戶外條件下重復使用時的鋰吸附容量和選擇性。（f）有和無定向鹽結晶時3D蒸發器內部離子擴散的模擬。（g）有和無定向鹽結晶時離子濃度隨蒸發過程的演化。

【總結 & 原文鏈接】

本研究提出并驗證了一種基于界面太陽能蒸發的鹽湖鹵水提鋰策略，核心是利用三維多功能蒸發器將HTO鋰離子篩、大孔CCH水凝膠、超疏水O-sponge和親水棉線集成于一體。系統在1個太陽下實現了2.86 kg/m2/h的蒸發速率和91.8%的蒸發效率，通過定向鹽結晶機制將干擾離子（Mg2+、Na+、K+、Ca2+）引導至棉線上結晶，使Li/Mg選擇性提升至413，吸附容量達24.7 mg/g（真實鹵水）。吸附-洗脫循環40次后性能幾乎無衰減。洗脫液經太陽能濃縮和碳酸鈉沉淀后，獲得純度99.7%的電池級碳酸鋰，滿足鋰電池正極材料原料標準。整個系統僅依賴太陽能驅動，不消耗外部淡水或能源，實現了提鋰、產水、吸附劑再生和水回用的全閉環運行。經濟分析表明，碳酸鋰生產成本約4283美元/噸，遠低于其他直接提鋰技術，能量回收周期約2-3個月。該工作為干旱地區鹽湖鋰資源的綠色、可持續開發提供了一條兼顧性能與成本的先進技術路線。

原文鏈接: https://doi.org/10.1039/d5ee04165a

聲明：以上內容僅反映作者個人見解，鑒于作者學識所限，若存有不嚴謹之處，請后臺留言指正！

熱忱歡迎各位學術界同仁分享或提交關于光-熱-電能源利用、表界面化學的相關資訊、研究成果及文章，攜手共促領域的繁榮前行：grdn_connect@163.com (推廣合作同號)