隨著全球向可再生能源轉(zhuǎn)型加速,鋰資源需求預(yù)計(jì)到2040年將激增五倍,但傳統(tǒng)提鋰技術(shù)效率低、污染重。近日,南京工業(yè)大學(xué)邢衛(wèi)紅教授、仲兆祥教授、劉澤賢教授和莫納什大學(xué)王煥庭院士合作,在《Nature Reviews Materials》發(fā)表重磅評(píng)論文章,系統(tǒng)闡述無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)(ISSEs)作為離子選擇性膜在海水直接提鋰中的革命性潛力。這一技術(shù)突破不僅有望解鎖海洋中2300億噸鋰資源的開發(fā),還將為全球綠色能源供應(yīng)鏈注入新動(dòng)能。
研究背景:鋰資源危機(jī)與海洋提鋰?yán)Ь?/span>
鋰是電池技術(shù)的核心材料,但全球陸地鋰礦資源有限且分布不均。目前,約60%的鋰從鹽湖鹵水中提取,工藝依賴長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的自然蒸發(fā),效率低且破壞生態(tài)。而海洋雖蘊(yùn)藏巨量鋰資源(濃度僅0.1-0.2 ppm),卻因缺乏高效分離技術(shù)長(zhǎng)期未被利用。
傳統(tǒng)膜材料(如功能化聚合物、金屬有機(jī)框架)雖在實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)潛力,但面臨選擇性低、穩(wěn)定性差等瓶頸。例如,聚合物膜易溶脹失效,多孔框架材料難以規(guī)模化生產(chǎn)。在此背景下,ISSEs因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和離子傳輸機(jī)制成為研究焦點(diǎn)。
技術(shù)突破:ISSEs的離子選擇性機(jī)制
ISSEs最初用于全固態(tài)電池,其晶體結(jié)構(gòu)(如NASICON型、石榴石型)通過(guò)以下機(jī)制實(shí)現(xiàn)鋰離子高效篩選:
1.尺寸效應(yīng):ISSEs的離子通道直徑約為1-2 ?(1 ?=0.1納米),僅允許脫水的鋰離子(半徑0.76 ?)通過(guò),而鈉(1.02 ?)、鉀(1.38 ?)等離子需扭曲晶格結(jié)構(gòu),遷移能壘增加3-5倍。
2.電荷效應(yīng):高電荷密度的鎂、鈣等離子與晶格氧原子產(chǎn)生強(qiáng)靜電相互作用,進(jìn)一步阻礙其擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)表明,LAGP膜(Li?.?Al?.?Ge?.?(PO?)?)的鋰/鈉選擇性比高達(dá)10?,遠(yuǎn)超聚合物膜的102水平。
3.動(dòng)態(tài)調(diào)控:通過(guò)施加電場(chǎng)或構(gòu)建雙通道結(jié)構(gòu)(如LATP/AEP膜),鋰離子通量可提升至5 mol·m?2·h?1,同時(shí)能耗降低40%。
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