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科學家嘗試從海水中提取鋰金屬 滿足激增的鋰電池需求。

 發(fā)布時間:2021-11-02

 

伴隨著全球汽車工業(yè)朝著電氣化方向發(fā)展,鋰電池的需求到本世紀末預估會是現(xiàn)在的 5 倍。激增的電池需求迫使各家公司紛紛尋找鋰電池的新來源。芝加哥大學普利茲克分子工程學院的一位科學家認為,我們所需要的龐大鋰金屬正蘊藏在大海中,等待著我們的進一步發(fā)掘。

目前,世界上大約 75% 的鋰來自于橫跨阿根廷、玻利維亞和智利的一片山地,這個地區(qū)被稱為“鋰三角”。在那里,金屬是通過將鹽水泵入巨大的露天盆地,在一年的時間里將其蒸發(fā)掉而提取的。然而,這個漫長的過程在一個渴望鋰的世界里是一個主要的瓶頸,雖然有其他的來源,但大多數(shù)都有環(huán)境成本。

為了防止迫在眉睫的短缺,包括美國在內(nèi)的許多國家都在尋找可持續(xù)的方法來提取這種需求量大的元素。這就是普利茲克分子工程學院紐鮑爾家族助理教授劉崇(Chong Liu,音譯)的作用。

劉崇是一位材料科學家,她研究物質(zhì)的特性,以創(chuàng)造高度專業(yè)化的材料。目前,她的實驗室正在開發(fā)一種新型的電極,可以通過一種叫做電化學插層(electrochemical intercalation)的過程從海水中提取有價值的元素。雖然劉的工作仍處于早期階段,但它可能是在任何地方提取鋰的最可持續(xù)方法之一。

劉說:“我們的主要動機是創(chuàng)造一個盡可能環(huán)保的過程。由于我們采取的是電化學方法,我們完全避免了對強熱或強酸的需求,而且我們只得到我們想要的元素--這就是單離子的選擇性”。

這種方法是美國能源部正在認真對待的一種方法。9 月 2 日,劉被任命為 13 名研究人員之一,他們將獲得 3000 萬美元的基金,旨在確保國家清潔能源技術(shù)的關(guān)鍵材料供應。

美國能源部部長珍妮弗-格蘭霍姆(Jennifer M. Granholm)說:“擴大電動汽車基礎設施,加強我們國家的電網(wǎng),并通過數(shù)百萬個清潔能源工作崗位為我們的經(jīng)濟提供動力,這些都依賴于鈷和鉑等關(guān)鍵材料供應鏈的保障。我們無碳的未來的關(guān)鍵在于加強美國的清潔工業(yè),建立美國制造的關(guān)鍵材料的強大供應鏈系統(tǒng),并在國內(nèi)和國外積極部署由此產(chǎn)生的氣候技術(shù)”。

在分子層面上,Liu通過設計高度特定的電極材料來實現(xiàn)這一目標,這些材料將離子吸引到電極上,同時只捕捉某些元素,將其捕獲。不過,這種方法也有挑戰(zhàn)。因為海水中的鋰濃度相當?shù),約為百萬分之 0.2,任何提取技術(shù)都需要非常高效,以便以合理的速度提取鋰。此外,為了在工業(yè)規(guī)模上使用這些電極,它們將需要由高選擇性、高耐久性的材料制成。選擇最佳候選材料將需要時間。

劉明白這些挑戰(zhàn),她已經(jīng)在設計層面上考慮了這些挑戰(zhàn)。她的實驗室已經(jīng)在材料選擇過程中看到了有希望的結(jié)果,將候選材料縮小到幾個可能的系列,她正在努力用新的機器學習技術(shù)來進一步完善。她希望在未來十年內(nèi),會有一個新的、完全可持續(xù)的鋰提取系統(tǒng)。

劉說:“我完全期待在10年或20年內(nèi),我們將看到人員和貨物運輸方式的徹底轉(zhuǎn)變。但是為了創(chuàng)造這一點,為了認真解決氣候變化問題,我們需要為該過程的每一個方面找到環(huán)境友好的方法,包括電池制造。這就是我們希望提供的東西”。

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