鋰化物有哪些用途？除了用于陶瓷、玻璃、制藥和核工業領域，就是如今大火的電池領域。近些年，隨著電動汽車和便攜式電子產品的普及，鋰離子市場迅速膨脹。然而，鋰的供給非常有限，如杯水車薪，無法滿足日益膨脹的市場需求。

圖1A所示，用于電池行業的鋰，在全球鋰消耗總量中占比不斷增長，從2010年的31%到2017年的43%。預測，2025年占比將升至65%。日益增長的鋰消耗造成碳酸鋰價格的增長。保守估計，倘若僅考慮電動汽車，2015年到2050年，將消耗511萬噸鋰，這幾乎是陸地上鋰的三分之一。2080年，陸地上的鋰資源將被完全耗盡！目前，商業用鋰都是從陸地上的礦中開采提取。陸地上總共儲備鋰1400萬噸。如圖1B所示，陸地上的鋰資源分布不均，＞98%的資源都分布于智力、阿根廷、中國和澳洲。此外，從礦中開采鋰的方式會危害環境。如何解決這種供不應求的難題？

圖1（A）鋰的供應面臨短缺，（B）鋰資源的分布不均勻

陸地上的鋰有限，而海洋中的鋰可謂是“取之不盡，用之不竭”。海洋中2300億噸的鋰儲備是陸地資源的4個數量級。然而頭痛的是：海水中的鋰資源濃度僅為0.1—0.2ppm，怎樣才能有效提取呢？目前，方法有二，一種基于吸附，另一種基于電滲析。如，氫金屬氧化物能通過離子交換吸附鋰（Li+和H+交換），每克錳氫氧化物能吸附8.87mgLi+（6天內）。基于滲析的方式是在濃度或者電場梯度的驅使下，電池中Li+通過離子選擇性膜，由正極遷移至負極。當今這些方法的劣勢顯而易見：①鋰提取速度慢；②過程繁瑣，由于高濃度的鋰仍存在于水中，得到金屬鋰或鋰化物還需大費周折；③整個過程需要額外的能耗。

最近，南京大學的周豪慎課題組給出了妙招——用太陽能驅動的電滲析技術。原理如圖2A，陽極電解液使用海水（Li+,Na+等），陰極電解液為非質子體系而非水系（PC+LiClO4），中間用離子選擇性膜隔開（NASICON型固態電解質）。當太陽能電池板供電時，在電場作用下，陽離子（Li+,Na+等）往陰極遷移，離子選擇性膜只讓Li+透過并以金屬Li的形式在陰極銅箔上析出。陽極上，OH-和Cl-發生還原生成O2和Cl2，兩種產物能進一步反應形成次氯酸。陽極使用含Ru材料，能加速海水的分離。不難發現，這種裝置很容易實現在海面上大面積的工業化操作，如圖2C所示。

圖2太陽能鋰提取裝置（A）工作原理（B）單個單元裝置（C）海上的大規模裝置陣列

在太陽能的驅動下（電流密度為80μAcm-2，時長1h），可以清楚的看到灰色金屬鋰的產生（圖3A中照片）。作者將陰極銅箔取出放入水中，立即產生大量氣體，表面的金屬灰迅速褪色，水的pH值也上升。作者還采用XPS進一步分析銅箔上的沉積物，圖3C所示，沉積物的表層成分主要是LiClO4（~57.3eV），采用Ar-離子刻蝕表層后，主要成分是金屬鋰（~55.1eV），證明金屬鋰的生成。離子選擇性膜真能完全阻擋Na+么？圖3C所示并沒有Na的特征峰。圖3E所示的XRD給出了同樣的結論，在36.2°、52°和65°存在金屬鋰的衍射峰。

為優化條件，作者采用不同的電流密度（80,160,240,320μAcm-2，時長1h）并測試充電電壓（圖3A）和相應Li金屬的產量（圖3B）。充電電壓隨電流密度增大而變高。隨電流密度增大，Li產量變大，在240μAcm-2下達到最大值5.7mg/(cm2h)，320μAcm-2下反而降低，可能是因為高電流密度下存在副反應。

圖3不同電流密度下的鋰提取過程分析以及銅箔表面沉積鋰的表征

（A）電解過程中，電勢隨時間的變化

（B）單位面積銅箔上的鋰產量

（C）Ar-離子刻蝕前后，Li1s軌道的XPS

（D）Ar-離子刻蝕前后，Na1s軌道的XPS

結論：用太陽能裝備，通過電滲析海水，提取金屬鋰，這種方式簡單、節能且可控。此外，由于使用非質子體系，可直接得到金屬鋰。最后，這種方法普適性很強，只需更換離子選擇性膜，即可實現其他元素的提取。