近日，南京大學(xué)何平教授和周豪慎教授于2018年七月二十七日在能源領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)刊物Cell子刊《Joule》上在線發(fā)表題為LithiumMetalExtractionfromSeawater的研究論文，提出一種以太負(fù)能為驅(qū)動能，基于組合電解液(hybridelectorlyte)思路和離子選擇性固體薄膜的恒流電解技術(shù)，成功實現(xiàn)從海水中提取金屬鋰單質(zhì)。該技術(shù)的問世為海洋鋰資源開發(fā)和太負(fù)能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化存儲開辟了全新的道路。

鋰是現(xiàn)代社會最重要的礦物資源之一，被廣泛應(yīng)用于陶瓷化工、醫(yī)藥、核工業(yè)以及廣為人知的鋰離子電池工業(yè)中。隨著電動汽車及便攜式電子設(shè)備的普及，鋰離子電池市場的規(guī)模大幅上升，預(yù)計未來30年將消耗目前全球可開采鋰儲量的1/3(圖1A)，這將導(dǎo)致未來鋰資源供給不足的問題。目前全球可開采鋰儲量均來自于礦石和鹵水，共計約1400萬噸。從礦石和鹵水中提煉鋰鹽，會消耗大量的能源并帶來嚴(yán)重的污染問題。相較于陸地上礦石和鹵水中有限的鋰資源，海水中儲有2300億噸的鋰資源，是目前全球可開采鋰資源總量的16000倍(圖1B)。因此，假如實現(xiàn)從海水中簡便、可控和清潔提取鋰，人類將獲得幾乎取之不盡用之不竭的鋰資源。

研究人員提出了很多解決方法，其中包括了吸附法和電滲析法。吸附法是通過一些氫化金屬氧化物以氫離子和鋰離子的交換機(jī)制實現(xiàn)從海水中吸附鋰元素。電滲析法是通過外加電場促使海水中的正負(fù)離子定向移動，再通過選擇性透過膜實現(xiàn)鋰離子的富集?，F(xiàn)有的海水提鋰技術(shù)提取速率慢且不易調(diào)控，得到的初次提取物要進(jìn)一步處理才能獲得金屬鋰或純凈的鋰化合物(如Li2CO3)。因此，現(xiàn)有的海水提鋰技術(shù)可能無法滿足未來諸如鋰-硫電池和鋰-空氣電池在內(nèi)的新型鋰離子電池技術(shù)對鋰資源的大量需求。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院何平教授和周豪慎教授早在2009年即提出組合電解液(Hybridelectrolyte)的概念，該概念結(jié)合有機(jī)和水體系電解液的特點，與單一電解液相比拓寬了電池體系的工作電壓和應(yīng)用范圍?；诮M合電解液，該團(tuán)隊研制出水系鋰-空氣電池，鋰-空氣燃料動力電池，鋰-銅電池，鋰液流電池等新型大容量電池。

近日，該研究團(tuán)隊將組合電解液的策略應(yīng)用于海水提取金屬鋰技術(shù)中。該團(tuán)隊設(shè)計的組合電解液由正極區(qū)和負(fù)極區(qū)組合而成。正極區(qū)為氬氣氣氛保護(hù)的鋰離子有機(jī)電解液，以浸入電解液的銅箔為正極；負(fù)極區(qū)以海水為工作電解液，以Ru@SuperP催化電極為負(fù)極。使用鋰離子固態(tài)電解質(zhì)陶瓷膜作為鋰離子選擇性透過膜，分隔開正極區(qū)和負(fù)極區(qū)，該陶瓷膜僅允許鋰離子通過。采用自行設(shè)計的微型可調(diào)諧太負(fù)能板恒流電源向正極和負(fù)極之間施加恒定電流，使負(fù)極區(qū)海水中的鋰離子源源不斷的通過固體陶瓷膜，在正極銅片表面還原生成金屬鋰單質(zhì)，成功實現(xiàn)從海水中提取金屬鋰單質(zhì)(圖2)。該成果在《Joule》的FutureEnergy欄目中在線發(fā)表。

在海水提鋰的過程中，銅片表面有銀白色物質(zhì)生成，經(jīng)XPS和XRD分析可知，銅片表面的沉積物為金屬鋰。在80、160、240和320μAcm-2電流密度下的電解電壓分別為4.52V、4.75V、4.88V和5.28V，金屬鋰產(chǎn)量分別為1.9、3.9、5.7和1.2mgdm-2h-1(圖3)。當(dāng)電流密度超出一定閾值的情況下，例如320μAcm-2，正極會發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng)(電解液分解)，導(dǎo)致鋰產(chǎn)量降低?？梢娫摵Ｋ徜嚨募夹g(shù)優(yōu)勢在于可以直接得到金屬鋰單質(zhì)，金屬鋰單質(zhì)中已經(jīng)蘊藏從太負(fù)能轉(zhuǎn)化而來的化學(xué)能，可以通過鋰-硫電池或鋰-空氣電池等新型電池體系釋放。此外，恒流電解法制備速度快且可調(diào)諧，適用于大規(guī)模生產(chǎn)制備。該技術(shù)的發(fā)明為海洋鋰資源開發(fā)和太負(fù)能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化存儲開辟了全新的道路。

南京大學(xué)2015級博士生楊思勰為論文的第一作者，何平教授和周豪慎教授為該論文的共同通訊作者，2017級碩士生張帆和丁懷平高級工程師也為該工作做出重要貢獻(xiàn)。該項研究得到國家重大科學(xué)研究計劃，國家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金和江蘇省優(yōu)勢學(xué)科項目的資助。