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【成果掠影 & 研究背景】

锂被誉为“白色石油”，是锂电池产业不可或缺的战略资源。盐湖卤水中蕴藏着全球约70%的可开采锂资源，但高浓度干扰离子（特别是Mg2+）的存在使得提锂极为困难。传统的吸附法虽然选择性高，但存在两个关键瓶颈：一是吸附动力学缓慢，锂离子在吸附剂内的传质受限，导致吸附达饱和需8小时以上；二是大量淡水的消耗——在干旱的盐湖地区，这本身就是一种不可持续的奢侈。如何在不消耗额外淡水和能源的前提下，从盐湖卤水中高效、选择性地提取锂，一直是资源循环领域的核心难题。

针对这一挑战，研究团队提出了一种太阳能蒸发驱动的“离子泵”策略。他们设计了一种三维功能蒸发器，核心是将锂离子筛（HTO）嵌入具有大孔结构的冷冻交联PVA水凝胶（CCH）中，并与超疏水海绵和亲水棉线交替组装。利用界面太阳能蒸发产生的快速水传输和局部高温，锂离子被加速输运至吸附位点，吸附饱和时间从8小时缩短至5小时。同时，棉线上的盐优先结晶（定向结晶）机制使Mg2+、Na+、K+、Ca2+等干扰离子被“锁”在盐晶体中，而Li+则被HTO选择性捕获。在模拟卤水中，当Mg2+/Li+质量比达160时，锂选择性高达612.4。在真实盐湖卤水（东台吉乃尔盐湖）中，系统实现了24.7 mg/g的锂吸附容量和超过400的Li/Mg选择性。最终，通过太阳能蒸馏将吸附的锂洗脱、浓缩，并加入碳酸钠沉淀，获得了纯度99.7%的电池级碳酸锂（Li2CO3），产品符合锂电池原材料标准。整个系统仅需太阳能驱动，无需外部能源或淡水输入，实现了提锂-产水-材料再生-水回用的全闭环运行。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

  • 大孔CCH水凝胶与HTO筛的协同设计：通过低温冷冻交联制备的CCH（平均孔径293±137 μm），在同等HTO含量下比致密水凝胶（CH）暴露更多吸附位点，锂吸附容量从19.3提升至27.7 mg/g（提高44%），饱和时间从360分钟缩短至300分钟，解决了传统吸附剂传质差的瓶颈。

  • 无光条件下对比验证太阳能驱动效应：在无太阳光照时，CCH在500 min内的锂吸附容量仅15.3 mg/g，而1个太阳光照下300 min即达27.7 mg/g。这归因于界面蒸发加速水输运（Li+更易到达位点）和光热升温对吸热吸附过程的热力学促进。

  • 定向盐结晶机制实现选择性飞跃：超疏水O-sponge层和亲水棉线的组合使Mg2+、Na+、K+、Ca2+等干扰离子定向结晶在棉线上而非蒸发器表面。模拟计算表明，棉线接触O-sponge处因局域高温和快速蒸发形成离子浓度梯度，优先成核并持续吸引干扰离子，从而在CCH层为Li+保留了干净的吸附环境，使Li/Mg选择性从文献报道的约65提升至413。

  • 零液体排放与长期稳定性：6小时连续运行中，盐在棉线上结晶而不堵塞蒸发表面，蒸发速率稳定在3.0 kg/m2/h，超过大多数抗盐蒸发器。在40次吸附-洗脱循环中，锂吸附容量稳定在25 mg/g以上，选择性始终高于250，洗脱效率>87.5%，HTO的Ti损失<3%，CCH大孔结构保持完整。

  • 户外真实卤水验证与电池级产品：2024年11月武汉户外测试（太阳辐照0.3 kW/m2）中，使用未过滤的东台吉乃尔卤水（含杂质颗粒），蒸发器在9小时内达23.3 mg/g吸附容量，与过滤卤水相当（24.7 mg/g），且7天连续运行性能稳定，证明其优异抗污能力。产水电导率降至19.7 μS/cm（降低三个数量级）。最终碳酸锂产品XRD谱图与标准PDF卡片完全匹配，定量分析纯度为99.7%，满足电池级要求。

  • 经济性和能量回收周期分析：3D蒸发器材料成本为73美元/m2，碳酸锂综合生产成本约4283美元/吨，远低于其他直接提锂技术。以年产1000吨计，能量回收周期约2-3个月，展现出良好的工业放大潜力。

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    图1 | 太阳能蒸发驱动锂提取系统的设计。（a）耦合淡水生成和循环利用的太阳能蒸发提锂路线示意图。（b）3D蒸发器结构示意图，由亲水性大孔CCH、超疏水O-sponge和亲水棉线交替组装。（c）太阳能驱动蒸发增强锂选择性捕获及干扰离子定向盐结晶的原理。（d）CCH层和超疏水O-sponge的SEM图像。（e）3D蒸发器的数码照片（侧视和俯视图）。（f）CCH、CH和O-sponge的光吸收性能。

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    图2 | 3D蒸发器在卤水中的太阳能蒸发性能。（a）O-sponge的水接触角、滚动角和液滴撞击测试。（b）1个太阳照射下样品的升温曲线，插图为CCH的红外热像图。（c）太阳能蒸发过程中3D蒸发器热分布的模拟结果。（d）在卤水（东台吉乃尔盐湖）中3D蒸发器的蒸发速率和盐结晶动力学。（e）其他构型蒸发器在卤水中蒸发速率随时间的变化，插图为盐结晶形貌照片。（f）和（g）在模拟卤水中不同Mg2+/Li+比（盐度100 g/L）和不同盐度（Mg2+/Li+比为50）下的蒸发性能。（h）3D蒸发器在不同真实盐湖卤水中的蒸发性能。

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    图3 | 太阳能蒸发驱动锂提取性能。（a）3D蒸发器的锂吸附动力学（200 ppm，pH=12）。（b）HTO在蒸发器中提取锂的机理。（c）CCH在锂吸附前后的高分辨XPS谱。（d）和（e）在模拟卤水中不同Mg2+/Li+比（盐度50 g/L）和不同盐度（Mg2+/Li+比为50）下的锂吸附容量和选择性。（f）3D蒸发器处理不同真实盐湖卤水时的锂吸附容量和选择性。（g）CCH在循环使用中的锂吸附容量、洗脱效率和选择性。（h）与已报道的具有提锂和淡水生成功能的蒸发器性能对比。

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    图4 | 户外太阳能驱动提锂与定向盐结晶。（a）户外测试装置示意图。（b）在户外条件下处理过滤和未过滤东台吉乃尔卤水时的锂吸附容量，插图为长期运行后蒸发器实现盐-水完全分离的照片。（c）3D蒸发器在盐湖卤水中对各共存离子的吸附容量和分离因子。（d）所得碳酸锂粉末的XRD图谱和实物照片。（e）户外条件下重复使用时的锂吸附容量和选择性。（f）有和无定向盐结晶时3D蒸发器内部离子扩散的模拟。（g）有和无定向盐结晶时离子浓度随蒸发过程的演化。

【总结 & 原文链接】

本研究提出并验证了一种基于界面太阳能蒸发的盐湖卤水提锂策略，核心是利用三维多功能蒸发器将HTO锂离子筛、大孔CCH水凝胶、超疏水O-sponge和亲水棉线集成于一体。系统在1个太阳下实现了2.86 kg/m2/h的蒸发速率和91.8%的蒸发效率，通过定向盐结晶机制将干扰离子（Mg2+、Na+、K+、Ca2+）引导至棉线上结晶，使Li/Mg选择性提升至413，吸附容量达24.7 mg/g（真实卤水）。吸附-洗脱循环40次后性能几乎无衰减。洗脱液经太阳能浓缩和碳酸钠沉淀后，获得纯度99.7%的电池级碳酸锂，满足锂电池正极材料原料标准。整个系统仅依赖太阳能驱动，不消耗外部淡水或能源，实现了提锂、产水、吸附剂再生和水回用的全闭环运行。经济分析表明，碳酸锂生产成本约4283美元/吨，远低于其他直接提锂技术，能量回收周期约2-3个月。该工作为干旱地区盐湖锂资源的绿色、可持续开发提供了一条兼顾性能与成本的先进技术路线。

原文链接: https://doi.org/10.1039/d5ee04165a

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