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科學(xué)家嘗試從海水中提取鋰金屬 滿足激增的鋰電池需求。

  • 發(fā)表時(shí)間:2021-10-11
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(jì)末預(yù)估會(huì)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(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的一位科學(xué)家認(rèn)為,我們所需要的龐大鋰金屬正蘊(yùn)藏在大海中,等待著我們的進(jìn)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(gè)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(shí)間里將其蒸發(fā)掉而提取的。然而,這個(gè)漫長的過程在一個(gè)渴望鋰的世界里是一個(gè)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(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)一種新型的電極,可以通過一種叫做電化學(xué)插層(electrochemical intercalation)的過程從海水中提取有價(jià)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?jiǎng)訖C(jī)是創(chuàng)造一個(gè)盡可能環(huán)保的過程。由于我們采取的是電化學(xué)方法,我們完全避免了對強(qiáng)熱或強(qiáng)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(rèn)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(yīng)。

美國能源部部長珍妮弗-格蘭霍姆(Jennifer M. Granholm)說:“擴(kuò)大電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施,加強(qiáng)我們國家的電網(wǎng),并通過數(shù)百萬個(gè)清潔能源工作崗位為我們的經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力,這些都依賴于鈷和鉑等關(guān)鍵材料供應(yīng)鏈的保障。我們無碳的未來的關(guān)鍵在于加強(qiáng)美國的清潔工業(yè),建立美國制造的關(guān)鍵材料的強(qiáng)大供應(yīng)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(shè)計(jì)高度特定的電極材料來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),這些材料將離子吸引到電極上,同時(shí)只捕捉某些元素,將其捕獲。不過,這種方法也有挑戰(zhàn)。因?yàn)楹K械匿嚌舛认喈?dāng)?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(shí)間。

劉明白這些挑戰(zhàn),她已經(jīng)在設(shè)計(jì)層面上考慮了這些挑戰(zhàn)。她的實(shí)驗(yàn)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(gè)可能的系列,她正在努力用新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來進(jìn)一步完善。她希望在未來十年內(nèi),會(huì)有一個(gè)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(yùn)輸方式的徹底轉(zhuǎn)變。但是為了創(chuàng)造這一點(diǎn),為了認(rèn)真解決氣候變化問題,我們需要為該過程的每一個(gè)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”。