全球范圍的能源變革和轉(zhuǎn)型已是趨勢，電動汽車行業(yè)的迅速發(fā)展是重要環(huán)節(jié)，隨之而來的是全球?qū)︿囯x子電池的強勁需求。在我國，鋰資源多蘊藏于鹽湖鹵水中。我國鹽湖鹵水以高鎂、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別的高純度鋰化合物，是困擾科學家和工程師的難題。

　　近日，中國科學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、溫州大學、荷蘭代爾夫特理工大學、天津科技大學等，總結(jié)了近年來膜技術(shù)在中國鹽湖鹵水提鋰中的研究進展，分析了從高鎂鋰比鹽湖提鋰的核心技術(shù)和科學問題，并對鹽湖鹵水提鋰發(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)品的整個工藝過程包括分離純化和濃縮兩個關(guān)鍵步驟（圖1）。工藝技術(shù)包括：一步實現(xiàn)鋰的分離富集的液液萃?。‥1）和膜化學交換（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，以及基于遠離平衡的分離，如納濾、電滲析等（圖2）。從熱力學角度，親和作用的平衡分離機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低于鎂離子，這是鎂鋰分離的一級分離系數(shù)的基礎(chǔ)。該研究提出了采用同位素分離的核心化學交換技術(shù)，可放大單級分離系數(shù)，從而實現(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)用進展，并指出膜萃取和膜化學交換可以實現(xiàn)高選擇性的鎂鋰分離；強調(diào)了萃取平衡實現(xiàn)高效鎂鋰分離的優(yōu)勢。

　　納濾、電滲析等是基于遠離平衡的分離機理的鋰提取技術(shù)。如圖2B所示，溶質(zhì)的滲透選擇性與通過膜的溶質(zhì)輸運的能量勢壘呈指數(shù)關(guān)系，溶質(zhì)透過膜的輸運機制可分為空間效應(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)計要求合理地結(jié)合上述機理。這些技術(shù)實現(xiàn)鎂鋰分離后獲得的富鋰鹵水中鋰離子濃度低，需要進一步的濃縮。因此，與萃取技術(shù)相比過程相對更復(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)計思路短期看來很難有較大進展，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，運行和固定投入大，且無法實現(xiàn)一步濃縮到可以化學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機鹽作為驅(qū)動液，整體過程是太陽能綠色驅(qū)動的過程，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)。

　　研究工作得到國家自然科學基金、國家自然科學基金區(qū)域合作重點基金、“金磚五國”項目聯(lián)合基金、英國皇家學會牛頓高級基金、中科院國際合作項目、青海省科技廳基金等的支持。

圖1.中國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理（A）和基于遠離平衡的分離機理（B）