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《我国学者在界面光热盐湖提锂技术研究方面取得进展》

  • 来源专题：能源情报网监测服务平台
  • 编译者： 郭楷模
  • 发布时间：2024-10-25

  • 在国家自然科学基金项目（批准号：51925204、92262305）等资助下，南京大学朱嘉教授与合作者在盐湖锂资源绿色开发领域取得进展。相关成果以“界面光热盐湖提锂技术（Solar transpiration–powered lithium extraction and storage）”为题，于2024年9月27日在线发表于《科学》（Science）。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7034。

      锂作为全球能源转型中的战略性关键金属，广泛应用于电动汽车电池和可再生能源储能系统。盐湖型锂矿是全球锂资源的主要来源，以我国为例，青藏高原蕴藏着丰富的盐湖锂矿资源。然而，由于盐湖化学条件复杂以及环境保护要求严格，至今尚未实现大规模开采，成为我国盐湖锂资源开发的“卡脖子”难题。因此，发展绿色、环保、可持续的盐湖提锂新技术，是破解这一难题的关键，具有重要的经济价值和战略意义。

      朱嘉教授团队借鉴盐土植物对盐分的“选择性吸收-储存-释放”机制，开发了界面光热盐湖提锂材料与器件（STLES，图A-B）。研究团队采用高效光热转换的铝基等离激元蒸发器（图C）作为界面光热层，实现了水的快速蒸发并在百纳米通道内产生超高毛细压强。同时，采用亲水多孔的二氧化硅陶瓷作为锂盐存储层（图D），聚酰胺纳滤膜作为离子筛分层（图E），实现了锂离子的选择性提取和存储。装置运行过程中，水和锂盐在毛细压强作用下穿过离子筛分层进入存储层，随后通过水循环系统收集，完成装置再生。研究结果表明，该技术能够从稀释的盐湖卤水中高效提取锂，并在超过500小时的连续运行中保持优异的稳定性，展现了长期应用的巨大潜力。此外，该技术兼容性强，通过优化离子筛分层和采用多级提锂工艺，锂选择性分别提升了6倍和40倍。模块化设计还使得锂产量能够随模块数量线性增长，进一步增强了该项技术的实用性和扩展性。

      该工作通过界面光热盐湖提锂技术实现了盐湖中锂资源的有效提取，有望推动我国青藏盐湖锂资源的绿色开发，减少我国对进口锂矿的依赖，保障我国战略性关键金属锂的安全供给。

  • 原文来源：https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info93688.htm
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  • 《技术取得新突破 盐湖提锂产业步入“快车道”》
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    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-12-27
    • 西藏城投近日公告称，公司参股公司西藏国能矿业发展有限公司（简称“国能矿业”）两个盐湖提锂中试项目通过了中国有色金属工业协会组织的科技成果评价会。其中一个中试项目首次在西藏地区实现卤水直接制备电池级碳酸锂，为西藏碳酸盐型盐湖锂资源的高效绿色利用提供了新途径。 盐湖产业今年以来成为风口，在锂产品价格飙涨和技术进步的助推下，产业资本大举介入，盐湖产业迎来加速发展期。从盐湖中试项目看，原卤提锂成为主要方向。结合新型试剂的引入，盐湖提锂的效率将大幅提升，成本端亦有望进一步收窄。 历经波折 据统计，全球锂资源可分为盐湖资源和矿石资源两大类。其中，盐湖占60%，矿石占40%。从区域分布看，锂资源主要集中在澳洲、智利、中国和阿根廷，合计占比达95%。我国盐湖主要聚集于青海和西藏地区。 青海成为盐湖提锂的重要试验场。煅烧法和萃取法因受制于能耗环保而丧失竞争力，而吸附法和膜法则表现出较强的“生命力”，特别是在察尔汗盐湖的高镁锂比条件下。 部分盐湖企业的产业化过程历经波折。业内人士指出，盐湖提锂项目一般的建设周期是1-2年，但建设过程遇到多种情况。比如，蓝科锂业的二期2万吨项目，受困于大股东盐湖股份的财务情况，产能建设拖延时间较长，蓝科锂业从成立到建成1万吨产能经历了7-8年时间；位于东台吉乃尔的青海锂业公司命运更加坎坷，从中国科学院盐湖研究所开发技术到成立公司，期间几乎失败。盐湖所退出后由西部矿业集团“接棒”，后者继续推进产业化研发，前后历经8年时间。 西藏则面临较大的基础条件限制。青海盐湖的平均海拔在2600米附近，而西藏盐湖的平均海拔高达4400米，水电气、运输等方面也有一定困难。 渐入佳境 今年以来，盐湖提锂技术取得很大进展，产业资本大举介入，盐湖企业成为市场追逐的“香饽饽”。目前，青海盐湖卤水提锂技术逐步成熟，2020年青海盐湖碳酸锂产量约为3万吨。业内人士预计，2021年将达到4万-5万吨。其中，以蓝晓科技和久吾高科为代表的“吸附+膜”技术路线应用最为广泛。 “目前，盐湖提锂技术成熟度已经达到70%-80%的程度，很多技术完全达到产业化水平，还有一些技术在不断完善。”久吾高科副总经理王肖虎表示，市场需求快速释放，碳酸锂价格持续走高，矿石提锂的产能没有随着需求而释放，对于盐湖提锂技术的需求显得更为迫切，倒逼提锂技术加快成熟。 在2020年以前，盐湖所产的碳酸锂部分应用于储能电池，并未大规模应用于新能源汽车电池，更是与中高端新能源车“绝缘”。上述情况正在得到改观。蓝晓科技相关负责人表示，盐湖提锂技术不断升级、优化，锂盐产品品质不断提升，在后续精制工段增加“除硼”“除磁”装置后，可以将盐湖提锂产品提升至“电池级”标准，按照电池级产品价格进行销售。 王肖虎直言，在去年碳酸锂价格较低时，很多盐湖企业的工艺改造工作已完成，可以产出电池级碳酸锂。不过，制作高纯度电池级碳酸锂的过程会影响锂的综合收益率。“提锂企业要多增加淡水进行洗涤以获得更纯净的碳酸锂，但部分碳酸锂通过洗涤水就排掉了。现在碳酸锂市场需求旺盛，供不应求，增加工艺、提升品质是可行的。” 技术进步 众多盐湖锂企主导的不同技术路线中试项目今年以来先后上马，部分完成并获得专家认可，产业技术进步提速。 近日，西藏城投参股公司国能矿业的中试项目，根据西藏盐湖的特点，通过“预处理-萃取-反萃-热解”等工艺流程，首次在西藏地区实现了卤水直接制备电池级碳酸锂。 据悉，前述新技术工艺流程中构建了“钙循环”“碳循环”“水循环”和“萃取体系循环”四个循环体系，使得能耗、物耗和水耗与其他技术相比均处于较低水平。 对于原卤直接提锂的应用前景，王肖虎介绍，老卤提锂前期需要建很多盐田，将原卤进行多级的摊晒蒸发结晶，把氯化钠、氯化钾逐渐结晶出来，然后做成老卤进行提锂。而原卤提锂省去了摊晒的过程，提锂效率更高，并且可以快速释放产能。这项技术可以应用于西藏和南美的盐湖，西藏多为地表卤水，一般不太容易建设盐田，所以更适合采用原卤提锂技术。 “现在西藏有几个碳酸盐型盐湖，用传统的铝系吸附剂效果不及预期。公司开发的钛系吸附剂，可以在高碱性条件下直接脱附，对环境友好。”王肖虎表示，针对不同的盐湖，新型吸附剂的引入有望进一步改善提锂效率。 就在11月初，久吾高科与西藏矿业子公司扎布耶锂业签订年产100吨单水氢氧化锂中试科研项目。久吾高科称，本次扎布耶盐湖提锂中试装置是盐湖原卤直接生产电池级氢氧化锂的生产装置，通过此次中试实验的技术探索，掌握扎布耶盐湖卤水的提锂工艺，并验证制备电池级单水氢氧化锂的技术可行性，为西藏矿业扎布耶盐湖万吨工业化项目的可行性以及设计提供依据。
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  • 《我国学者在富锂锰基正极材料研究方面取得进展》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-05-19
    • 在国家自然科学基金项目（批准号：52272253、52472266）等资助下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平研究员与合作者在新一代高比能锂电池关键材料领域取得新进展。相关研究成果以“Negative-thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry”为题，于2025年3月发表在《自然》（Nature）上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08765-x。   发展高比能锂电池技术是提高电动汽车、电动航空器续航里程的关键。富锂锰基正极材料凭借阴离子（氧）氧化还原提供额外容量，放电比容量高达300 mAh/g，可使电池能量密度提升30%以上，被视为下一代锂电池正极材料的理想之选。然而，富锂锰基正极材料在实际应用中存在电压降，影响长期稳定性。这一问题的根源在于充放电过程中氧活性呈现显著不对称性，这导致晶格储能持续累积并驱动材料发生不可逆的结构转变，引发电压衰减和容量衰退。实现高能量密度锂电池的长期稳定工作，已成为下一代锂电池技术亟需攻克的关键难题。   中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平研究员与合作者借助原位加热同步辐射X射线衍射技术，首次发现富锂锰基正极材料在高温时的反常收缩行为，并证实了该现象在其它氧活性正极材料中具有普适性。研究团队结合充放电测试与热力学计算，揭示了氧框架结构无序的可逆转变机制：在加热条件下，亚稳态材料中的结构无序向动态有序转变，致使晶胞参数反常收缩。基于上述发现，研究团队构建了可逆氧活性容量贡献比γ与负热膨胀系数α的定量关系，成功制备出热膨胀系数趋近于零的新型材料，实现了从现象观测到定量设计的跨越。   该研究在方法论上取得两方面突破，一是发展了基于热激活动力学的结构无序度动态表征技术，有效解决了传统静态结构分析在亚稳态体系表征上的难题；二是提出了“结构无序度-功能特性”逆向设计策略，通过氧活性调控实现材料热膨胀行为的优化。此外，研究团队构建了基于非平衡态热力学的“电化学退火”模型，首次在电化学体系中实现了亚稳态材料的动态调控。研究结果表明：在4.0 V临界电压条件下，富锂锰基正极材料展现出独特的电压记忆效应，其晶格氧重构活化能大幅降低，促使结构无序发生有序重组，实现近100%的电压修复。   该研究提出了借助智能调控充电策略定期修复富锂锰基正极材料结构缺陷的应用方案，为延长富锂锰基电池寿命开辟了新途径。这些研究成果加深了对材料热力学行为的理解，为新型功能材料设计和电池性能优化提供了重要的理论支撑。
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