研究人员使用单步工艺提取锂 以降低成本(研究人员发现锂离子电池正极能量损失的原因)

研究人员使用单步工艺提取锂 以降低成本 ♂

讯 据外媒报道，在《美国化学会-能源快报》（ACS Energy Letters）上发表的一篇论文中，研究人员讨论了一种新的单步电化学提取锂的方法。相比之下，以前常用的分离/提纯步骤往往会增加成本。

（图片来源：ACS）

随着电动汽车迅速发展，对锂电池的需求也在不断增长。因此，锂成为一种很重要的商品。到2030 年，锂的需求量预计将超过200万吨。现在，人们采取从矿石中分离并提纯锂的方法。然而，锂的全球分布有限且不一致，往往无法满足需求；其次，沉积和净化处理过程的速度慢、效率低（50%的回收率）。标准的离心技术需要预先浓缩盐水、沉积试剂和分离锂，尽管具有一定的技术能力，但既耗时又昂贵。

新型锂提取方法

有一种独特的电渗析方法，使用均匀的锂纳米复合材料提取锂，在72小时后的回收率超过7%。此外，在此项研究中，研究人员创造并验证了一种电化学技术，利用固体Li1+xAlyGe2-yPO43薄膜，从模拟海水（simulated seawater）中吸附锂金属。

然而，锂化合物在水溶液中的组成变化和持久性，是锂连续加工技术的关键。在提取锂之后，仍需进行大量的高成本吸收剂置换和锂过滤过程，以生产工业规模的可用锂。这是上述锂提取工艺面临的共同挑战。

这种创新技术在一些方面略所不同。基于膜电解和电化学插层过程的组合，将锂离子特定屏障（Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3，LAGP）和低成本电化学二氧化锰（EMD）分别用作屏障和锂主体。研究人员专注于具有卓越的锂分离性能和效率的材料，并且控制后续处理费用，而不使用低容量化合物，例如本质上可重构的FePO4。

现代技术的优势

研究人员提出的这种新技术，有三个主要优势。首先，提取的锂非常纯净；第二点也是最重要的是，不需要耗费大量成本进行锂分离和提纯；第三大优势是效率高和成本低。

根据预期正极配方，所收集的Li和电解二氧化锰主体（Li-EMD）成为可充电电池正极的初步组件，可有效地用于合成具有必要成分的正极。

研究发现

根据测量的除锂能力和预期的EMD电位，总的锂插层体积为220mAHg-1，或回收效率为71.4%。如果认为所有的锰离子都是4+价的，所报告的收集能力表明使用1摩尔的EMD可以提取0.772摩尔的锂，这与化学分析是一致的。

在技术经济分析（TEA）中，使用通过EMD/LAGP工艺提取的锂，计算生产锂电池正极的成本。结果表明，利用该技术生产尖晶石LiMn2O4和NMC333的成本，比其他锂分离技术更低，甚至与消费类应用的成本持平。

简而言之，这种锂提取方法，有助于解决锂供应不足和电池成本问题，从而实现车辆电气化，并减少社会经济系统的排放。

研究人员发现锂离子电池正极能量损失的原因 ♂

讯 据外媒报道，对于由复杂的过渡金属富锂氧化物制成正极的锂离子电池，一国际团队发现了此种电池在充放电循环过程中发生能量损失的原因。该团队由斯科尔科沃理工学院（Skoltech）及来自法国、美国和瑞士的研究人员组成。这项新研究表明，充放电时的工作电压差异，导致能量效率低下，这是由于镍的中间物质寿命长，具有动力学阻碍。

（图片来源：Skoltech）

随着电动汽车产业迅速发展，为了增加单次充电续航里程，对锂离子电池能量密度的要求也更高。下一代动力电池以领先正极材料为基础，如过渡金属的富锂复合氧化物。这种正极材料凭借过渡金属（镍和钴）的阳离子，以及参与氧化还原反应的氧离子，目前保持比容量纪录。然而，在电池运行过程中，电压滞后（即充放电电压差异）导致能量损失，使其实际应用受到影响。

研究人员表示，在锂离子电池充电过程中，带正电荷的锂离子会离开其在正极材料结构上的位置，并在电池放电时回到原位。为了使正极材料保持电中性，它应该释放或吸收相同数量的电子。此项研究表明，在很大程度上，动力学障碍和能量势垒是由电子转移造成的，而不仅仅是锂离子的迁移。金属离子和氧原子之间的电子转移特别缓慢，从而引起能量损失。

为了捕捉这些长寿命的电子态（electronic states），研究人员首先排除了其他可能引起滞后的原因，例如过渡金属离子迁移导致正极晶体结构发生变化。通过高分辨率透射电子显微镜，也就是先进成像核心设施的泰坦Themis Z显微镜，可以获得确凿的证据，证明这种不可逆过程不会发生。泰坦Themis Z的空间分辨率高达0.06 nm，能够获得晶体结构的原子分辨率图像。

这种显微镜本身就是一个材料科学实验室，能够用各种高局部性的方法对材料进行分析。在此项研究中，研究人员不仅使用结构图像，还对镍和钛离子的电子态以及在不同电池充电状态下的氧离子进行光谱分析。结果发现，正是氧化的镍离子形成了长寿命的电子态。后来其他光谱分析方法也证实了这一点。

高级成像核心设施负责人Yaroslava Shakhova表示：“此项研究显示，在研究具有高实用价值的材料方面，现代透射电子显微镜能够发挥独特的作用。对于有针对性地开发具有独特功能的材料，从局部层面了解晶体和电子结构，具有重要意义。Skoltech有能力进行这方面的研究，这是其重要的竞争优势。”