左图：芝加哥大学助教Chong Liu（右侧）和她的团队在分子水平上重新设计材料

右图：示意图显示通过在橄榄石磷酸铁中形成锂固溶相可以提高钠的嵌入屏障并提高锂的选择性

研究人员已经找到了一种方法，可最大限度提高提取过程，以促进电池设计中材料再利用。

科学人员在电池技术中寻找锂的替代品的原因之一是开采材料的复杂性，这种材料仅在美国境外提供，通常在资源丰富但欠发达的地区可用。

现在，研究人员提出了一种新的解决方案，通过一种技术，可以从石油废水和地热卤水这两种非常规水源中提取锂离子，从而更本地化地改进锂的提取。

研究人员表示，来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一个团队开发了一种电化学插层形式——在这个过程中，电极从其他不可用的水中提取锂，有可能从这些水源中提取足够的锂离子，以供重复使用。

他们表示，这种提取方法直到最近还并没有从极度稀释的水资源中产生足够的锂。然而，由Chong Liu助教带领的芝加哥大学研究团队研发了一种用锂离子“种子”电极的方法，有助于提高宿主的锂选择性，并在提取中排斥不需要的元素。

她承认：“在锂的提取中，在锂和钠之间存在相互竞争的夹层，严重限制了我们有效提取锂的能力。我们想要了解在水平分子上发生了什么，以及我们如何控制这种选择性。”

混合材料

研究人员表示，夹层是一种通过“宿主”材料插入并存储在“客人”离子的化学过程，其作用有点像分子蜂巢。该过程是可逆转的，因此同样的离子也可以从宿主中提取。事实上，可重复的过程是可充电电池背后的关键机制，以及它们是如何在多个周期内释放和充电的。

对于其特殊种类的锂提取，研究人员使用橄榄石磷酸铁锂作为宿主材料，这是一种非常适合且可储存锂离子的晶体。他们表示，然而，尽管这是一种研究最广泛的方法，并且被认为是最好的方法之一，但仍存在局限性。

研究人员表示，与橄榄铁磷酸盐发生的情况是，竞争离子——如钠——经常与锂一起被吸到宿主材料中，这损害了过程的有效性。Liu和她的团队开始了解这些共插层，以及两种材料储存在晶体中后会发生什么。

该团队与伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois Urbana Champaign）的其他科学家合作，团队通过使用透射电子显微镜观察宿主材料内部情况。他们发现，锂和钠通常是分离的，这说明它们在晶体内是互相排斥的，类似于混合时油和水的分离。该过程称为相分离法（phase separation）。

Liu表示，团队与伊利诺伊理工学院的研究人员合作开发的计算模型证实了这种行为。

她表示：“值得注意的是，这些离子相分离成两个不同的区域。一个区域内仅有锂，另一个区域内仅有钠。这使我们好奇如何利用它来提高锂的选择性。”

找到解决方案

一旦他们掌握了材料内部的情况，研究人员就能想出解决方案。在这种情况下，他们发明了一种系统，将宿主材料预先植入锂，认为这将增加钠离子的能量屏障，使它们更难进入橄榄石磷酸铁。

试验表明，它们在所有宿主材料的存储位置的20%到40%播种，选择性分别提高了1.6倍和3.8倍。此外，研究人员说，宿主材料的种子高锂固溶相与选择性增强表现出很强的相关性。

Liu在新闻发言中表示：“我们已经证明了一种在宿主材料中操纵动力学途径的有效方法。如果你能控制锂钠通道，你就有了一个强大的杠杆来影响锂的选择性。”

研究人员将其相关论文发表在《Nature Communications》杂志上。

研究人员表示，还有其他因素使这种材料在从水源中提取离子时更具选择性。它们包括宿主形态和缺陷，为团队进一步研究如何改进过程提供了几个途径。

事实上，根据他们的发现，未来的工作将包括研究理想的播种条件和寄主形态，最大限度的提高锂的选择性，创造“可持续的锂提取系统”。

 

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.10.27