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2018年11月16日
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海水中总能提到“锂”

与传统方法只能得到锂盐或锂化合物相比,新技术具有可直接提炼金属锂、提炼速度可控、适合大规模生产制备等优势。而且,通过太阳能转化为电能来收集和存储锂,是一种清洁绿色的能源利用方式。

随着消费电子、新能源汽车等产业的飞速发展,锂资源快速消耗,在可见的未来将面临供给不足的问题。而海水中蕴含的锂资源是陆地的1.6万倍,如能有效开发,将有效解决后顾之忧。

来自pt老虎机游戏的3位科学家研发了一种全新的“海水提锂”技术,为海洋锂资源开发开辟了全新道路。近日,这一研究成果在能源领域顶级学术刊物《细胞》的子刊《焦尔》上在线发表。

太阳能转化为化学能

论文通讯作者之一、pt老虎机游戏现代工程与应用科学学院教授何平告诉《中国科学报》记者,海水中含有极为丰富的锂资源,但单位锂浓度却很低,只有0.1~0.2ppm(1ppm等于溶质质量占全部溶液质量的百万分之一),这导致很难从海水中提取锂。现有的海水提锂技术无法满足新型锂电池技术对锂资源的大量需求。

在前人研究的基础上,何平与pt老虎机游戏教授周豪慎、2015级博士生杨思勰一起,提出了一种以太阳能为驱动能,基于“组合电解液”思路和离子选择性固体薄膜的恒流电解技术,成功从海水中提取了金属锂单质。

据介绍,该团队设计的组合电解液由阴极区和阳极区组成,中间用固态电解质陶瓷膜分隔,陶瓷膜仅允许锂离子通过。然后,采用微型可调谐太阳能板恒流电源向阴极和阳极之间施加恒定电流,使阳极区海水中的锂离子源源不断地通过固体陶瓷膜,在阴极的铜片表面还原生成金属锂单质。

“与传统方法只能得到锂盐或锂化合物相比,新技术具有可直接提炼金属锂、提炼速度可控、适合大规模生产制备等优势。此外,通过太阳能转化为电能来收集和存储锂,是一种清洁绿色的能源储存方式。”何平说。

海水提锂不仅回收了海洋中的金属锂,还将太阳能转化为了化学能,是资源转化回收的过程。应用方面,锂金属电池、锂空气电池、锂硫电池等都是应用场景。“有金属锂之后,还可以开发设计一系列通过金属锂来释放电能的方法,海水提锂只是上游技术,它还能支持下游的产品研发。”何平说。

另外,有了金属锂单质,还能获得碳酸锂、氢氧化锂等众多化合物。何平介绍,从资源角度来讲,锂的化合物本身就有非常大的应用价值,除了广为人知的电池工业,还有陶瓷化工、医药、核工业等领域,“只要有锂工业的地方,都是有需求的”。

从实验室到产业化有难度

作为一项前瞻性的技术,与从盐湖中的卤水和矿石当中提锂比较,海水提锂有较大的成本优势。“这项技术目前还处于实验室的研发阶段,商业化应用的时间取决于研发进度。另一方面,锂的成本也随供需关系在变化,将来包括锂电池在内的需求会越来越大,资源会越来越稀缺,到时海水提锂作为一项技术储备就会显出优势。从几十年的时间坐标轴来看,矿产资源的价格都是波动上升的。”何平表示。

海水中储有2300亿吨的锂资源,其丰富的储量也是技术开发的一大诱因。而且,陆地锂资源的开发也有局限,“卤水不仅含有锂离子,还有钠离子、钙离子等,提纯锂的过程要消耗很多的能量,矿石提锂也消耗很多电能。矿石提锂需要开矿,有破坏自然环境的风险”。

提到技术目前存在的难题,何平坦言,实验已经验证,海水提锂在理论和技术可行性上没有问题,最大的难题是技术从实验室到产业化的放大以及装置的持续运行,“海洋环境非常恶劣复杂,技术从实验室到海洋环境、装置是否能稳定运行和后期维护都存在技术挑战”。

“新技术肯定是有前景的,但也不能过分夸大,”何平认为,海水提锂在短期内还不能实现产业化,需要进一步研发、中试、放大。“接下来要在实验室进一步做仿真实验,提高系统的部件化学稳定性和寿命,做好关键部件的保护和优化,根据技术遇到的放大和装置难点继续做工作。”

对海水提锂技术,中国汽车流通协会汽车市场研究分会秘书长崔东树认为,可以与其他技术联合,与海水淡化或其他产业相结合,综合效益可能更高。

对此,何平表示认可,“利用太阳能的综合联用,进行多资源提取利用,将是很好的发展路径,但这需要多学科、多技术的联合,需要大团队的合作”。

不同的技术探寻出路

包括海水提锂技术在内,锂资源的大量开发是否会影响电池的价格?崔东树认为,锂的提取技术虽然在快速发展之中,但对锂电池的成本影响不大。“资源的供给很受业内人士的关注,防止出现因为某种资源不足,导致行业发展受阻的情况。”崔东树以钴资源举例,“前期钴资源价格非常高,现在整体来看,钴的价格在国际市场快速回落,这也证明我们对资源的需求与供给能够达到很好的平衡。”

“海水提锂从环境保护方面来看肯定没有问题,而且技术难题也会越来越少,其他形式的提锂技术也在不断进步。”崔东树告诉《中国科学报》记者,不论是锂矿还是盐湖所在地,客观来看都处于经济并不发达的地区,锂资源的开发不仅给行业更好的发展机会,也使当地产业有了升级的机会,推动当地经济发展。“青海盐湖提锂这条产业路线已经打通了。”

据介绍,全球已查明的锂资源储量为3400万吨,青海盐湖的锂资源占全球锂储量的60%以上,有人认为青海盐湖提锂空间广阔,但亦有不同声音认为,在镁锂含量本已畸高的青海盐湖,随着提锂的进行,盐湖卤水禀赋会越来越低,能否持续年产几万吨电池级碳酸锂仍值得观察。

不同的技术有各自的发展路线,海水提锂的研究目前得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省优势学科项目的资助。虽然由于生产成本、市场需求等原因,海水制锂距离产业化应用还有一定距离,但作为一项前瞻性科学研究,“我们要为海洋锂资源的开发尝试开辟新的道路”。何平说。