近日，普林斯顿大学任智勇教授团队，在Nature Water发表封面论文，题为“Spatially separated crystallization for selective lithium extraction from saline water”。果壳硬科技邀请了论文第一作者陈熹撰写解读文章。以下为陈熹的分享内容。
随着电动汽车需求量的迅猛增长，锂作为储能电池中的核心元素，正在经历着愈发紧张的供应压力。尽管地球上锂的总储量很大，但现有的主流方法开采周期太长。作为占全球供应总量一半以上的锂来源——盐湖提锂，往往依赖耗时长达15-18个月的太阳能蒸发池法实现锂的初步浓缩，速率慢、占地大，若要满足快速增长的锂供应需求，还要加大力度实现提速增效。
而相较于耗时长、占地大的蒸发池法，近年来发展迅猛的“直接法”借助离子分离技术，如吸附、离子交换、电渗析、膜分离等，实现了选择性快速提锂。尽管直接法能够避免蒸发池的使用，从而大幅提高提锂生产力，然而它们却依赖较高的能量驱动或大量化学品的消耗，成本较高，潜在的环境污染问题较大。
综上，找到速率快、能耗低、绿色低碳的含盐水提锂方法，或可对全球锂资源的稳定供给起到关键作用。
创新的纤维结晶器
在这个研究中，我们尝试了一种由天然棉纤维编织而成的绳状结晶器，借助其内部多孔通道的毛细作用将含盐水提升至约0.6米高。纤维编织结构有效增加了水-空气界面的面积，从而大幅提高蒸发速率，可达传统太阳能蒸发池的27倍以上。同时，盐水在提升过程中不断蒸发，其中浓度高而溶解度低的成分（Na盐）在较低位置先结晶，浓度低而溶解度高的成分（Li盐）则随盐水继续提升，待盐水完全蒸干后于顶部结晶，如此即可实现沿结晶器高度方向的分区结晶分离。在模拟盐湖和海水条件下，该结晶器分别能够选择性浓缩Li达39倍和675倍。
纤维结晶器工作原理，锂分离性能及蒸发速率表现
Li的三维空间分离
在纤维结晶器上，含盐水自下而上、由外到内逐渐蒸干，因而所获盐结晶中Li的相对浓度自下而上、由外到内逐渐增加。我们构建的数学模型能够很好地模拟出结晶器上Li相对浓度随高度而增加的趋势。同时，我们利用不同的先进表征手段，从毫米到亚微米级的不同尺度上得到了Li的微观分布，证实了Li在靠近结晶器中心位置含量高，而Na则在结晶器外壁的蒸发界面处大量存在。
纤维结晶器上收获的盐结晶密度显著分层，数学模型预测Li相对含量随高度增加
利用先进表征手段得到的微观元素分布
盘曲结构有大用
纤维结晶器的盘曲结构起到了促进水提升的作用，从而进一步实现了更大的蒸发面积和更高的蒸发速率。棉纤维经由搓捻形成细线，提水高度增加约一倍，而四股细线进一步盘曲编织形成绳状的结晶器，提水高度进一步增加约60%。相比无盘曲结构的一簇棉纤维而言，本研究所使用的纤维结晶器能够实现约10倍的蒸发速率。
具有盘曲结构的纤维结晶器能实现更高的提水高度与蒸发速度
为了探究该结晶分离方法的实用性，我们还构建了一个10*10的纤维结晶器阵列（共100根），模拟可能的实际应用场景。并尝试借助结晶中Li和Na的分布规律，进一步提升Li的回收纯度。按实验结果估计，该方法有望比传统太阳能蒸发池节省90%以上的占地，或可提高生产力一个数量级以上，未来应用潜力值得期待。
10×10根纤维结晶器组成的阵列及进一步提纯回收Li的方法
论文信息
发布期刊 nature water
发布时间 2023年9月7日
文章标题 Spatially separated crystallization for selective lithium extraction from saline water
（https://www.nature.com/articles/s44221-023-00131-3）
任智勇教授课题组简介
第一作者 陈熹 清华大学环境学院副研究员，原普林斯顿大学土木与环境工程系Associate Research Scholar。研究兴趣包括废水高值资源回收，盐湖提锂，污水能源、资源化技术。在Nature Water, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Environmental Science & Technology等期刊上发表高水平论文30余篇，2次入选Energy & Environmental Science HOT article collection, 曾获2020 ISMET Innovation Award。
第一作者 杨美琪 普林斯顿大学土木与环境工程系在读博士生，主要研究方向为废水和盐水等系统中的资源回收。利用电化学、材料工程、人工智能/机器学习等方法，改进材料设计、运行和监测。已在Environmental Science & Technology, Nano Letters, ACS Applied Electronic Materials 等国际刊物上发表学术论文10余篇
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通讯作者 任智勇 普林斯顿大学土木与环境工程系教授, Andlinger能源与环境中心副主任。他领导的水和能源技术实验室 (WET LAB) 近年在污水资源化，低碳化，和数字化等领域取得多项突破，获得资助总额 1200 多万美元。团队在Nature 及多个子刊，Science Advances, EES, ES&T, Water Research 等期刊发表论文 200 多篇。研究成果被中国中央电视台、 美国国家广播电台、美国哥伦比亚广播公司等媒体报道。团队拥有8项发明专利，其中4项已被公司进行商业应用转化。任教授现任ES&T 和 ES&T Letters 副主编和ESE，CEJ，ES&T Engineering期刊编委。他是英国皇家化学会会士，曾任北美华人环境教授协会主席。任教授曾获得美国土木工程师协会科研奖Walter L. Huber Prize, 美国水协会科研奖Paul L. Busch Award 和Nanova/CAPEES Frontier in Research Award。
课题组网站：https://ren.princeton.edu