美國研究團隊開發新方法可提取 99%純鋰

美國的研究人員開發出一種新方法，能夠從鈉與鋰比例為 1,000 比 1 的溶液中提取 99% 純鋰。來自芝加哥大學普利茲克分子工程學院的團隊發現，電化學插層可以用於提取關鍵電池材料鋰。這一技術在電池和超級電容器領域中較為常見，研究人員通過施加電流來將離子插入不同材料的層間。現實世界中的提取技術使用此技術從水中提取材料，創造出強制供給的過濾器，利用電流將帶電鋰離子拉過微觀通道。

然而，讓鋰離子通過的通道同時也會容許其他離子進入，包括更為常見的鈉。

鋰通過分層材料的挑戰

這項研究揭示了讓鋰通過分層材料（在此項研究中為鈷氧化物）的離子通道是由兩種力量之間的推拉關係所主導。研究人員表示，這不僅是純科學的進展，也是開發新的現實世界提取技術的途徑。前芝加哥大學 PME 研究生 Grant Hill 博士表示：「我們的目標是開發能夠選擇性分離鋰與其他鹽類的材料。」他指出，這類材料的主要競爭者是鈉，因為它們在化學性質和大小上非常相似。

電池是全球從化石燃料轉型的主要動力，但目前用於提取普遍電池材料鋰的方法卻遠非環保。這些方法需要大量的酸來熔化烤製的鋁礬土礦石，或是需要巨大的鹽水坑來從地底深處抽取數百萬加侖的鹽水，並讓其在陽光下蒸發乾燥。芝加哥大學 PME 副教授劉崇表示：「我們知道，有兩個平行反應將始終同時發生。一個是由電荷驅動的，當電流進入材料時；另一個則是材料自然而然會達到平衡。」

插層與離子交換的反應

Hill 將離子通道形容為被停車場環繞的高速公路。他表示：「每個鋰離子在開始時旁邊有很多空位，而當鈉被加入時，會將所有相鄰的鋰位置擠在一起。對於材料中對鋰友好的區域，停車場已經滿了。」克服這一挑戰需要優化鋰離子的顆粒大小，並在兩個競爭反應之間找到平衡。這兩個反應中的第一個是插層反應，由於研究人員使用電流將離子添加到層間而引起。這就是高速公路上的交通。

第二個反應是離子交換，當競爭的鈉和鋰離子達到平衡時，根據新聞稿，離子向隱喻的停車場的拉入速率。平衡以其自身的速度發生，但研究人員可以確定他們注入離子的速度。這意味著他們可以將第一反應的「速度」設置為三個選項之一：更快、更慢或與第二反應的速度相同。劉崇表示：「我們發現這三種狀態的行為非常不同，只有當你給予足夠的時間讓離子交換追趕插層時，我們才能實現這種非常可逆的材料反應。」

研究人員揭示，緩慢插入離子並找到理想的顆粒大小，使這種可逆性得以實現。

新方法對鋰提取技術的影響

這項研究的突破性方法不僅能有效提取鋰，還能減少現有提取技術對環境的影響。傳統鋰提取過程通常需要大量的化學物質和水資源，對生態造成壓力。新技術的發展，尤其是對於鋰與鈉的選擇性分離，顯示出在未來電池材料提取方面的潛力。隨著全球對清潔能源需求的增加，這種高效且環保的提取技術將可能成為解決資源短缺問題的重要途徑。