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近日，普林斯頓大學任智勇教授團隊，在Nature Water發表封面論文，題為“Spatially separated crystallization for selective lithium extraction from saline water”。果殼硬科技邀請了論文第一作者陳熹撰寫解讀文章。以下為陳熹的分享內容。
隨著電動汽車需求量的迅猛增長，鋰作為儲能電池中的核心元素，正在經歷著愈發緊張的供應壓力。盡管地球上鋰的總儲量很大，但現有的主流方法開采周期太長。作為占全球供應總量一半以上的鋰來源——鹽湖提鋰，往往依賴耗時長達15-18個月的太陽能蒸發池法實現鋰的初步濃縮，速率慢、占地大，若要滿足快速增長的鋰供應需求，還要加大力度實現提速增效。
而相較于耗時長、占地大的蒸發池法，近年來發展迅猛的“直接法”借助離子分離技術，如吸附、離子交換、電滲析、膜分離等，實現了選擇性快速提鋰。盡管直接法能夠避免蒸發池的使用，從而大幅提高提鋰生產力，然而它們卻依賴較高的能量驅動或大量化學品的消耗，成本較高，潛在的環境污染問題較大。
綜上，找到速率快、能耗低、綠色低碳的含鹽水提鋰方法，或可對全球鋰資源的穩定供給起到關鍵作用。
創新的纖維結晶器
在這個研究中，我們嘗試了一種由天然棉纖維編織而成的繩狀結晶器，借助其內部多孔通道的毛細作用將含鹽水提升至約0.6米高。纖維編織結構有效增加了水-空氣界面的面積，從而大幅提高蒸發速率，可達傳統太陽能蒸發池的27倍以上。同時，鹽水在提升過程中不斷蒸發，其中濃度高而溶解度低的成分（Na鹽）在較低位置先結晶，濃度低而溶解度高的成分（Li鹽）則隨鹽水繼續提升，待鹽水完全蒸干后于頂部結晶，如此即可實現沿結晶器高度方向的分區結晶分離。在模擬鹽湖和海水條件下，該結晶器分別能夠選擇性濃縮Li達39倍和675倍。
纖維結晶器工作原理，鋰分離性能及蒸發速率表現
Li的三維空間分離
在纖維結晶器上，含鹽水自下而上、由外到內逐漸蒸干，因而所獲鹽結晶中Li的相對濃度自下而上、由外到內逐漸增加。我們構建的數學模型能夠很好地模擬出結晶器上Li相對濃度隨高度而增加的趨勢。同時，我們利用不同的先進表征手段，從毫米到亞微米級的不同尺度上得到了Li的微觀分布，證實了Li在靠近結晶器中心位置含量高，而Na則在結晶器外壁的蒸發界面處大量存在。
纖維結晶器上收獲的鹽結晶密度顯著分層，數學模型預測Li相對含量隨高度增加
利用先進表征手段得到的微觀元素分布
盤曲結構有大用
纖維結晶器的盤曲結構起到了促進水提升的作用，從而進一步實現了更大的蒸發面積和更高的蒸發速率。棉纖維經由搓捻形成細線，提水高度增加約一倍，而四股細線進一步盤曲編織形成繩狀的結晶器，提水高度進一步增加約60%。相比無盤曲結構的一簇棉纖維而言，本研究所使用的纖維結晶器能夠實現約10倍的蒸發速率。
具有盤曲結構的纖維結晶器能實現更高的提水高度與蒸發速度
為了探究該結晶分離方法的實用性，我們還構建了一個10*10的纖維結晶器陣列（共100根），模擬可能的實際應用場景。并嘗試借助結晶中Li和Na的分布規律，進一步提升Li的回收純度。按實驗結果估計，該方法有望比傳統太陽能蒸發池節省90%以上的占地，或可提高生產力一個數量級以上，未來應用潛力值得期待。
10×10根纖維結晶器組成的陣列及進一步提純回收Li的方法
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