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科学家尝试从海水中提取锂金属 满足激增的锂电池需求。

 发布时间:2021/11/2

 

伴随着全球汽车工业朝着电气化方向发展,锂电池的需求到本世纪末预估会是现在的 5 倍。激增的电池需求迫使各家公司纷纷寻找锂电池的新来源。芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一位科学家认为,我们所需要的庞大锂金属正蕴藏在大海中,等待着我们的进一步发掘。

目前,世界上大约 75% 的锂来自于横跨阿根廷、玻利维亚和智利的一片山地,这个地区被称为“锂三角”。在那里,金属是通过将盐水泵入巨大的露天盆地,在一年的时间里将其蒸发掉而提取的。然而,这个漫长的过程在一个渴望锂的世界里是一个主要的瓶颈,虽然有其他的来源,但大多数都有环境成本。

为了防止迫在眉睫的短缺,包括美国在内的许多国家都在寻找可持续的方法来提取这种需求量大的元素。这就是普利兹克分子工程学院纽鲍尔家族助理教授刘崇(Chong Liu,音译)的作用。

刘崇是一位材料科学家,她研究物质的特性,以创造高度专业化的材料。目前,她的实验室正在开发一种新型的电极,可以通过一种叫做电化学插层(electrochemical intercalation)的过程从海水中提取有价值的元素。虽然刘的工作仍处于早期阶段,但它可能是在任何地方提取锂的最可持续方法之一。

刘说:“我们的主要动机是创造一个尽可能环保的过程。由于我们采取的是电化学方法,我们完全避免了对强热或强酸的需求,而且我们只得到我们想要的元素--这就是单离子的选择性”。

这种方法是美国能源部正在认真对待的一种方法。9 月 2 日,刘被任命为 13 名研究人员之一,他们将获得 3000 万美元的基金,旨在确保国家清洁能源技术的关键材料供应。

美国能源部部长珍妮弗-格兰霍姆(Jennifer M. Granholm)说:“扩大电动汽车基础设施,加强我们国家的电网,并通过数百万个清洁能源工作岗位为我们的经济提供动力,这些都依赖于钴和铂等关键材料供应链的保障。我们无碳的未来的关键在于加强美国的清洁工业,建立美国制造的关键材料的强大供应链系统,并在国内和国外积极部署由此产生的气候技术”。

在分子层面上,Liu通过设计高度特定的电极材料来实现这一目标,这些材料将离子吸引到电极上,同时只捕捉某些元素,将其捕获。不过,这种方法也有挑战。因为海水中的锂浓度相当低,约为百万分之 0.2,任何提取技术都需要非常高效,以便以合理的速度提取锂。此外,为了在工业规模上使用这些电极,它们将需要由高选择性、高耐久性的材料制成。选择最佳候选材料将需要时间。

刘明白这些挑战,她已经在设计层面上考虑了这些挑战。她的实验室已经在材料选择过程中看到了有希望的结果,将候选材料缩小到几个可能的系列,她正在努力用新的机器学习技术来进一步完善。她希望在未来十年内,会有一个新的、完全可持续的锂提取系统。

刘说:“我完全期待在10年或20年内,我们将看到人员和货物运输方式的彻底转变。但是为了创造这一点,为了认真解决气候变化问题,我们需要为该过程的每一个方面找到环境友好的方法,包括电池制造。这就是我们希望提供的东西”。

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