南京大學發明能源黑科技！給一塊“蛋糕”，開發海洋鋰資源

南京大學發明能源黑科技！給一塊“蛋糕”，開發海洋鋰資源

愛因斯坦●2018-08-03

導語

一旦這種技術正式投入應用，就可以從海水中清潔、高效地提取出鋰資源，緩解將來鋰資源緊張的狀況，降低鋰電池產品成本。

近日，南京大學何平教授和周豪慎教授在能源領域頂級學術刊物Cell子刊《Joule》上在線發表題為“Lithium Metal Extraction from Seawater”的研究論文，提出一種以太陽能為驅動能，基于組合電解液（hybrid electrolyte）思路和離子選擇性固體薄膜的恒流電解技術，成功實現從海水中提取金屬鋰單質。該技術的問世為海洋鋰資源開發和太陽能向化學能的轉化存儲開辟了全新的道路。

“裝置單體示意圖，自上而下分別為太陽能板、有機電解液陰極區、離子選擇性陶瓷膜、海水陽極區，整個裝置可以利用橡皮圈浮于海面。”

“該裝置可實現以太陽能為驅動能，基于組合電解液思路和離子選擇性固體薄膜的恒流電解技術，成功實現從海水中提取金屬鋰單質。”

“該技術的問世為海洋鋰資源開發和太陽能向化學能的轉化存儲開辟了全新的道路。”

出于對該裝置的好奇，我們的記者采訪到了本篇論文的通訊作者之一，南京大學現代工程與應用科學學院的何平教授。

何平教授在接受記者采訪

▍為什么要開發提取金屬鋰的技術呢？

何教授介紹道，鋰是現代社會最重要的資源之一，被廣泛應用于陶瓷化工、醫藥、核工業以及廣為人知的鋰電池工業中。隨著電動汽車及便攜式電子設備的普及，鋰電池市場的規模大幅增長，預計未來30年將消耗目前全球可開采鋰儲量的1/3（下圖所示），這將導致未來鋰資源供給不足的問題。

注：紅線為2015~2050年間的鋰總消耗量曲線，藍線為2015~2050年間的預期年消耗量，綠線為全球鋰資源儲存總量的1/3線

▍那為什么要去海水中開發鋰資源呢？

何教授又解釋道，陸地上的可開采鋰儲量主要來于礦石和鹵水，開發過程中會消耗大量的能源并帶來嚴重的污染問題，且陸地上資源有限，且分布不均，主要集中在智利、中國、阿根廷和澳大利亞，共計約1400萬噸。

而海水中儲有2300億噸的鋰資源，是目前全球可開采鋰資源總量的16000倍。因此，如果實現從海水中簡便、可控和清潔地提取鋰，人類將獲得幾乎取之不盡用之不竭的鋰資源。

注：左柱為海洋中可開采鋰儲量，右柱為陸地上可開采鋰儲量

所以我們的目標就是利用下圖的裝置在海洋中開發鋰資源！

圖：（A）太陽能驅動的電解法海水提鋰裝置原理示意圖；（B）裝置單體示意圖，自上而下分別為太陽能板、有機電解液陰極區、陶瓷選擇性膜、海水陽極區，整個裝置可以利用橡皮圈浮于海面；（C）海上大量裝置排列的假想圖。

何教授介紹道：該團隊設計的組合電解液由陰極區和陽極區組合而成。陰極區為氬氣氣氛保護的鋰離子有機電解液，以浸入電解液的銅箔為陰極，陽極區以海水為工作電解液，以碳負載釕催化電極為陽極。

使用鋰離子固態電解質陶瓷膜作為鋰離子選擇性透過膜，分隔開陰極區和陽極區，該陶瓷膜僅允許鋰離子通過。采用自行設計的微型可調諧太陽能板恒流電源向陰極和陽極之間施加恒定電流，使陽極區海水中的鋰離子源源不斷地通過固體陶瓷膜，在陰極銅片表面還原生成金屬鋰單質，成功實現從海水中提取金屬鋰單質。

一旦這種技術正式投入應用，就可以從海水中清潔、高效地提取出鋰資源，緩解將來鋰資源緊張的狀況，降低鋰電池產品成本。

參考文獻：

Sixie Yang, et al, "Lithium Metal Extraction from Seawater," Joule, DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.07.006

（本文來源：南京大學微信公眾號；）