全球范圍的能源變革和轉(zhuǎn)型已是趨勢(shì)，電動(dòng)汽車行業(yè)的迅速發(fā)展是重要環(huán)節(jié)，隨之而來(lái)的是全球?qū)︿囯x子電池的強(qiáng)勁需求。在我國(guó)，鋰資源多蘊(yùn)藏于鹽湖鹵水中。我國(guó)鹽湖鹵水以高鎂、低鋰為主，而鎂鋰離子的物性差異小、分離困難。低成本、高效率地從鹽湖鹵水中獲得電池級(jí)別的高純度鋰化合物，是困擾科學(xué)家和工程師的難題。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院膜材料與分離技術(shù)中心聯(lián)合青海大學(xué)、溫州大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、天津科技大學(xué)等，總結(jié)了近年來(lái)膜技術(shù)在中國(guó)鹽湖鹵水提鋰中的研究進(jìn)展，分析了從高鎂鋰比鹽湖提鋰的核心技術(shù)和科學(xué)問題，并對(duì)鹽湖鹵水提鋰發(fā)展方向提出新思路。相關(guān)研究成果以Extraction of lithium from Chinese salt-lake brines by membranes: Design and practice為題，發(fā)表在Journal of Membrane Science上。

　　該研究闡述了鹽湖鹵水提鋰的現(xiàn)有技術(shù)路線，并提出從鹵水到產(chǎn)品的整個(gè)工藝過程包括分離純化和濃縮兩個(gè)關(guān)鍵步驟（圖1）。工藝技術(shù)包括：一步實(shí)現(xiàn)鋰的分離富集的液液萃?。‥1）和膜化學(xué)交換（E2）技術(shù)，該技術(shù)一般獲得氯化鋰產(chǎn)品；鋰鎂分離和鋰濃縮兩個(gè)工段的耦合工藝技術(shù)，如吸附（F1）、電滲析（F2）或納濾（F3）用于鎂鋰分離，然后通過正滲透（G1）、反滲透（G2）或蒸發(fā)塘（G3）與其他濃縮技術(shù)濃縮含鋰鹵水，最后通過添加碳酸鈉（H），得到碳酸鋰產(chǎn)品。

　　該研究提出了離子分離的兩個(gè)主要分離原理：基于親和作用的平衡分離，如萃取、吸附等，以及基于遠(yuǎn)離平衡的分離，如納濾、電滲析等（圖2）。從熱力學(xué)角度，親和作用的平衡分離機(jī)理取決于萃取的吉布斯自由能差異，如圖2A所示，鋰萃取過程的吉布斯自由能遠(yuǎn)低于鎂離子，這是鎂鋰分離的一級(jí)分離系數(shù)的基礎(chǔ)。該研究提出了采用同位素分離的核心化學(xué)交換技術(shù)，可放大單級(jí)分離系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)非常高的鎂鋰分離，獲得高純度鋰化合物；總結(jié)了新型的綠色膜萃取技術(shù)在鹽湖鋰提取中的應(yīng)用進(jìn)展，并指出膜萃取和膜化學(xué)交換可以實(shí)現(xiàn)高選擇性的鎂鋰分離；強(qiáng)調(diào)了萃取平衡實(shí)現(xiàn)高效鎂鋰分離的優(yōu)勢(shì)。

　　納濾、電滲析等是基于遠(yuǎn)離平衡的分離機(jī)理的鋰提取技術(shù)。如圖2B所示，溶質(zhì)的滲透選擇性與通過膜的溶質(zhì)輸運(yùn)的能量勢(shì)壘呈指數(shù)關(guān)系，溶質(zhì)透過膜的輸運(yùn)機(jī)制可分為空間效應(yīng)、靜電排斥、介電效應(yīng)、范德華力、摩擦力和粘性力的相互作用，高滲透選擇性膜的設(shè)計(jì)要求合理地結(jié)合上述機(jī)理。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)鎂鋰分離后獲得的富鋰鹵水中鋰離子濃度低，需要進(jìn)一步的濃縮。因此，與萃取技術(shù)相比過程相對(duì)更復(fù)雜。此外，現(xiàn)有的納濾膜材料和電滲析膜材料的鎂鋰分離系數(shù)低，無(wú)法與萃取平衡親和分離為主的膜萃取等匹敵。該研究還顯示，現(xiàn)有的納米材料為核心的設(shè)計(jì)思路短期看來(lái)很難有較大進(jìn)展，主要在于批量膜材料的制備技術(shù)尚未見突破可能性。然而，借鑒親和作用為核心的平衡分離思路，可以通過分離皮層材料與離子親和力的差異來(lái)大幅度提高納濾和電滲析膜分離皮層的鎂鋰分離系數(shù)。

　　該研究強(qiáng)調(diào)了目前科研工作所忽略的濃縮工段，表明濃縮工段是鋰提取過程能耗最高的工段，降低富鋰鹵水濃縮過程的能耗并實(shí)現(xiàn)水資源充分利用，是鹽湖鹵水提鋰的重要任務(wù)。常用的濃縮技術(shù)如反滲透需要高壓操作，運(yùn)行和固定投入大，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)一步濃縮到可以化學(xué)沉淀碳酸鋰的濃度要求。蒸發(fā)池效率低，限制了生產(chǎn)效率。該研究提出采用正滲透技術(shù)，利用鹽湖老鹵或者鹽湖大量的無(wú)機(jī)鹽作為驅(qū)動(dòng)液，整體過程是太陽(yáng)能綠色驅(qū)動(dòng)的過程，可大幅度減少鋰提取過程中濃縮階段的碳排放和能耗，是頗具潛力的濃縮技術(shù)。該研究還探討了面向該類型的高含鹽鹵水設(shè)計(jì)合適的正滲透膜材料，關(guān)鍵是大幅度降低結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域合作重點(diǎn)基金、“金磚五國(guó)”項(xiàng)目聯(lián)合基金、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓高級(jí)基金、中科院國(guó)際合作項(xiàng)目、青海省科技廳基金等的支持。

圖1.中國(guó)高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰工藝示意圖

圖2.基于親和作用的平衡分離機(jī)理（A）和基于遠(yuǎn)離平衡的分離機(jī)理（B）