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科學(xué)家嘗試從海水中提取鋰金屬 滿(mǎn)足激增的鋰電池需求。

  • 發(fā)表時(shí)間:2021-10-11
伴隨著(zhù)全球汽車(chē)工業(yè)朝著(zhù)電氣化方向發(fā)展,鋰電池的需求到本世紀末預估會(huì )是現在的 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(lái)源。芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的一位科學(xué)家認為,我們所需要的龐大鋰金屬正蘊藏在大海中,等待著(zhù)我們的進(jìn)一步發(fā)掘。

目前,世界上大約 75% 的鋰來(lái)自于橫跨阿根廷、玻利維亞和智利的一片山地,這個(gè)地區被稱(chēng)為“鋰三角”。在那里,金屬是通過(guò)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(cháng)的過(guò)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(lái)源,但大多數都有環(huán)境成本。

為了防止迫在眉睫的短缺,包括美國在內的許多國家都在尋找可持續的方法來(lái)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(zhuān)業(yè)化的材料。目前,她的實(shí)驗室正在開(kāi)發(fā)一種新型的電極,可以通過(guò)一種叫做電化學(xué)插層(electrochemical intercalation)的過(guò)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方法之一。

劉說(shuō):“我們的主要動(dòng)機是創(chuàng )造一個(gè)盡可能環(huán)保的過(guò)程。由于我們采取的是電化學(xué)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(wàn)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(cháng)珍妮弗-格蘭霍姆(Jennifer M. Granholm)說(shuō):“擴大電動(dòng)汽車(chē)基礎設施,加強我們國家的電網(wǎng),并通過(guò)數百萬(wàn)個(gè)清潔能源工作崗位為我們的經(jīng)濟提供動(dòng)力,這些都依賴(lài)于鈷和鉑等關(guān)鍵材料供應鏈的保障。我們無(wú)碳的未來(lái)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,并在國內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(guò)設計高度特定的電極材料來(lái)實(shí)現這一目標,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(guò),這種方法也有挑戰。因為海水中的鋰濃度相當低,約為百萬(wàn)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,她已經(jīng)在設計層面上考慮了這些挑戰。她的實(shí)驗室已經(jīng)在材料選擇過(guò)程中看到了有希望的結果,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器學(xué)習技術(shù)來(lái)進(jìn)一步完善。她希望在未來(lái)十年內,會(huì )有一個(gè)新的、完全可持續的鋰提取系統。

劉說(shuō):“我完全期待在10年或20年內,我們將看到人員和貨物運輸方式的徹底轉變。但是為了創(chuàng )造這一點(diǎn),為了認真解決氣候變化問(wèn)題,我們需要為該過(guò)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”。