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成果掠影 & 研究背景

锂因在可充电电池中的广泛应用以及随电动汽车普及，成为可再生能源转型的关键原材料。过去十年，电动汽车销量从2010年的几千辆激增至2023年约1400万辆，预计2030年将达1.42亿辆，全球锂产量也从2010 - 2020年增长两倍。按不同开采政策预测，到2050年锂需求可能激增18 - 40倍。目前，锂供应主要源于硬岩（占全球锂储量34%）和卤水（占66%），卤水提锂成本和难度较低、环境影响小。但盐水中锂常伴高浓度Mg²⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺等阳离子，尤其Mg²⁺特性与Li⁺相似，给锂回收带来挑战，中国许多盐水Mg²⁺/Li⁺比率高。为此，针对高Mg²⁺/Li⁺比率盐水的直接锂提取（DLE）技术被提出，如纳滤、电渗析、反渗透、蒸发浓度等，其中光热蒸发法因成本效益和环保性被视为最具前途的盐湖卤水直接提锂技术。

目前，光热蒸发在锂提取应用中已取得显著进展，其与膜分离、锂离子筛、分离结晶等方法结合，可实现更高效锂提取。然而，专注于卤水提锂尤其是光热蒸发背景下的相关评论较少。题为“The Recent Progress of Photothermal Evaporation for Lithium Extraction”的研究总结了提高锂提取光热性能的多种策略，对光热蒸发在锂提取中的发展提出全面建议与展望，未来研究可聚焦于深入理解光热材料影响锂提取蒸发器性能和稳定性的机制，光热蒸发法作为绿色、稳定的锂提取方法，在基础研究和潜在应用中均意义重大 。

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研究内容 & 图文数据

（1）光热蒸发法提取锂的机理

要点精读：

  1. 光热蒸发能耗低、可利用可再生能源，能降低锂提取成本，适应不同盐浓度盐水，结合特定材料或结构可提升锂离子提取效率。

  2. 提锂方法有膜分离、锂离子筛和分离结晶。膜分离能凭离子选择性，在水蒸发时，阻挡二价离子，让锂离子等一价离子富集到膜表面。

  3. 锂离子筛因对锂吸附选择性高而常用，中国西部盐湖提锂面临气候冷的难题，光热蒸发与锂离子吸附结合可解决供热和淡水短缺问题。开发漂浮吸附材料、采用创新设计能提高吸附效率。

  4. 直接结晶法可空间分离不同浓度离子，如3D扭曲纤维结晶器能让氯化锂在内部浓缩成富锂晶体，结合理论模型能提升提锂效率和选择性，三种方法适用于不同离子浓度卤水 。

图 1 用于锂提取的三种方法的示意图

（2）光热蒸发在锂提取中的应用

图 2 a）太阳能驱动膜分离提锂的示意图;b）聚苯胺（PANI）纳米阵列蒸发器驱动的提锂示意图;c）在太阳辐射下聚苯胺蒸发器表面温度随时间的变化情况;d）聚酰胺（PA）膜的结构示意图;e）聚酰胺膜的扫描电子显微镜（SEM）图像

图 3 a）对于直接提锂毡（DEF），通过利用它直接漂浮在液态锂源上以转换太阳能，锂的吸附容量和吸附速率得到显著提高。吸附之后，将直接提锂毡浸入酸性溶液中可得到浓缩的富锂溶液。b）直接提锂毡的制备方案。c）直接提锂毡的扫描电子显微镜（SEM）图像。d）锂锰氧化物（LMO）颗粒附着在单根纤维上的情况。e）直接提锂毡悬浮在水中时的热传递机制。f）展示直接提锂毡在北纬 31°10′58″、东经 121°36′1″处 100 千克海水中大规模部署用于户外提锂的数码照片。g）户外提锂性能的对比评估；h）直接提锂毡与锂锰氧化物之间蒸发性能的对比分析。经许可转载

图 4 a–c）漂浮式集成太阳能微蒸发器系统的示意图，以及耦合自清洁海水淡化和强化太阳能提锂的相关工作机制。d）球体表面盐结晶的力学分析。e）七球体系统的动态自主及相关旋转过程。蒸发器上的盐晶体用蓝色圆圈标出，旋转后（由蓝色箭头指示）从球体上脱落。盐晶体最终落入容器中（黄色圆圈）。f）饱和盐水处理 5 小时后，微蒸发器与传统膜蒸发器的抗盐性对比。该装置在长期运行后能够实现水和盐的完全分离。g）户外太阳能驱动微蒸发器的组成和工作机制。h）在模拟多盐卤水中，钛酸锂包覆的镍锰钴酸锂（HTO@NMC）的平衡吸附容量。锂离子（Li⁺）、钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、镁离子（Mg²⁺）和钙离子（Ca²⁺）的初始浓度分别为 40、241、443、501 和 535 毫克 / 升，pH 值为 10。

图5 a）所制备的光热“离子泵”（PIPs）是具有核壳结构的纳米纤维卷状物。b）光热“离子泵”将外层纳米纤维壳与内层纳米纤维核结合在一起。c、d）光热“离子泵”内亲水性核纤维的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像。e）光照条件下光热“离子泵”内的离子传输情况。f）在200000秒时，不同光照条件下倾斜放置的光热“离子泵”内的离子富集分布情况。g、h）在1个太阳光照强度下，倾斜放置和垂直放置的光热“离子泵”浸入浓度为100克/升的氯化钠溶液中10小时后的数码照片及数值模拟结果。i）光热“离子泵”循环测试的示意图。j、k）倾斜放置和垂直放置的光热“离子泵”的锂捕获能力与干扰盐浓度之间的相关性。

图 6 a）展示了使用 S 形蒸发器同时收集淡水和选择性吸附锂离子的示意图。b、c）钛酸锂包覆的聚对苯二甲酸乙二酯（HTO@PET）织物的扫描电子显微镜（SEM）图像以及静态水接触角。d）铜 - 金属有机框架 / 聚多巴胺 / 凹凸棒石 @铝片（Cu-MOF/PDA/ATP@Al sheet）的扫描电子显微镜图像。e）各种薄片的太阳光吸收光谱，以及 f）在 1 个太阳光照强度下它们的表面温度随时间的变化情况。g）在 1 个太阳光照强度下，对质量分数为 3.5% 的氯化钠溶液进行太阳能诱导蒸发（SIE）过程中的相应红外图像。h）在不同太阳光照下，质量分数为 3.5% 的氯化钠溶液的质量随时间的变化情况。i）钛酸锂包覆的聚对苯二甲酸乙二酯（HTO@PET）织物的锂吸附容量的变化情况。

图7 a）三维结晶的示意图。b）纤维结晶器内的离子分布情况。c、d）结晶器周围及贯穿结晶器的钠（Na）和锂（Li）元素分布图。e）从结晶器中心采集的盐晶体的透射电子显微镜（TEM）图像。f）（e）中蓝色方框区域的透射电子显微镜图像，显示出盐晶体明显的边界。g）电子能量损失谱（EELS）证实了跨边界的元素分布情况。h）扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱（STEM-EDX）图像显示氯化钠（NaCl）周围存在氯化锂（LiCl）。i）包含10×10个三维空间结晶器的提锂阵列原型的照片。j）通过洗涤-浸泡方法回收锂盐。k）通过重复洗涤-浸泡过程，最终的锂/钠（Li/Na）比率可以进一步提高。

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总结 & 原文链接

1. 光热蒸发提锂是有前景的环保提锂法，设计系统需考虑多因素，光热蒸发器特异性和稳定性关键。

2. 介绍膜分离、锂离子筛、分离结晶三种光热蒸发与直接提锂集成法及提效机制。

3. 光热蒸发提锂有不足：纳滤难分锂与一价离子，需新膜；干扰离子影响光热材料及设备，需防污材料；结晶法对浓度4. 相近离子分离性差，溶液纯度低，宜预处理，与他法结合有望增效。

5. 光热提锂主要有膜分离（适高浓）、锂离子筛吸附（适低浓但受干扰）、分离结晶（适复杂溶液但纯度待优化）三种方法。

6. 未来集成系统有望提效降耗，模块化蒸发器更灵活，设备需可扩展性，利于大规模应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adsu.202400558

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