左圖：芝加哥大學助教Chong Liu（右側）和她的團隊在分子水平上重新設計材料
右圖：示意圖顯示通過在橄欖石磷酸鐵中形成鋰固溶相可以提高鈉的嵌入屏障并提高鋰的選擇性
研究人員已經找到了一種方法，可最大限度提高提取過程，以促進電池設計中材料再利用。
科學人員在電池技術中尋找鋰的替代品的原因之一是開采材料的復雜性，這種材料僅在美國境外提供，通常在資源豐富但欠發達的地區可用。
現在，研究人員提出了一種新的解決方案，通過一種技術，可以從石油廢水和地熱鹵水這兩種非常規水源中提取鋰離子，從而更本地化地改進鋰的提取。
研究人員表示，來自芝加哥大學普利茲克分子工程學院的一個團隊開發了一種電化學插層形式——在這個過程中，電極從其他不可用的水中提取鋰，有可能從這些水源中提取足夠的鋰離子，以供重復使用。
他們表示，這種提取方法直到最近還并沒有從極度稀釋的水資源中產生足夠的鋰。然而，由Chong Liu助教帶領的芝加哥大學研究團隊研發了一種用鋰離子“種子”電極的方法，有助于提高宿主的鋰選擇性，并在提取中排斥不需要的元素。
她承認：“在鋰的提取中，在鋰和鈉之間存在相互競爭的夾層，嚴重限制了我們有效提取鋰的能力。我們想要了解在水平分子上發生了什么，以及我們如何控制這種選擇性。”
混合材料
研究人員表示，夾層是一種通過“宿主”材料插入并存儲在“客人”離子的化學過程，其作用有點像分子蜂巢。該過程是可逆轉的，因此同樣的離子也可以從宿主中提取。事實上，可重復的過程是可充電電池背后的關鍵機制，以及它們是如何在多個周期內釋放和充電的。
對于其特殊種類的鋰提取，研究人員使用橄欖石磷酸鐵鋰作為宿主材料，這是一種非常適合且可儲存鋰離子的晶體。他們表示，然而，盡管這是一種研究最廣泛的方法，并且被認為是最好的方法之一，但仍存在局限性。
研究人員表示，與橄欖鐵磷酸鹽發生的情況是，競爭離子——如鈉——經常與鋰一起被吸到宿主材料中，這損害了過程的有效性。Liu和她的團隊開始了解這些共插層，以及兩種材料儲存在晶體中后會發生什么。
該團隊與伊利諾伊大學香檳分校（University of Illinois Urbana Champaign）的其他科學家合作，團隊通過使用透射電子顯微鏡觀察宿主材料內部情況。他們發現，鋰和鈉通常是分離的，這說明它們在晶體內是互相排斥的，類似于混合時油和水的分離。該過程稱為相分離法（phase separation）。
Liu表示，團隊與伊利諾伊理工學院的研究人員合作開發的計算模型證實了這種行為。
她表示：“值得注意的是，這些離子相分離成兩個不同的區域。一個區域內僅有鋰，另一個區域內僅有鈉。這使我們好奇如何利用它來提高鋰的選擇性。”
找到解決方案
一旦他們掌握了材料內部的情況，研究人員就能想出解決方案。在這種情況下，他們發明了一種系統，將宿主材料預先植入鋰，認為這將增加鈉離子的能量屏障，使它們更難進入橄欖石磷酸鐵。
試驗表明，它們在所有宿主材料的存儲位置的20%到40%播種，選擇性分別提高了1.6倍和3.8倍。此外，研究人員說，宿主材料的種子高鋰固溶相與選擇性增強表現出很強的相關性。
Liu在新聞發言中表示：“我們已經證明了一種在宿主材料中操縱動力學途徑的有效方法。如果你能控制鋰鈉通道，你就有了一個強大的杠桿來影響鋰的選擇性。”
研究人員將其相關論文發表在《Nature Communications》雜志上。
研究人員表示，還有其他因素使這種材料在從水源中提取離子時更具選擇性。它們包括宿主形態和缺陷，為團隊進一步研究如何改進過程提供了幾個途徑。
事實上，根據他們的發現，未來的工作將包括研究理想的播種條件和寄主形態，最大限度的提高鋰的選擇性，創造“可持續的鋰提取系統”。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2022.10.27