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美團隊研海水收集鋰金屬 產量將近「無限」

2020/7/14 — 16:13

Photo by YUCAR FotoGrafik via Unsplash

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近年電動車、電子產品蓬勃發展,刺激了對鹼金屬鋰的需求,但鋰在每公斤地殻中只含 20 毫克,屬世上豐度 (abudanace) 第 25 大的金屬,並非產量特別多的金屬。如何保持鋰的穩定供應,成為不少學者的研究問題。本月刊於 Joule 的研究指,人類朝開發幾乎無限的鋰供應邁出重要一步:將其直接從海水中抽出。

無參與研究的首爾大學化學與生物工程系副教授 Jang Wook Choi 向《科學》表示,這代表了鋰研究領域的實質性進步,他補充方法對從舊電池中回收鋰也可能有用。

鋰因為它比其他電池材料能按重量存儲更多能量,而備受青睞。現時全球每年使用超過 16 萬噸鋰,在未來十年,數字有望增長近 10 倍,但鋰的供應有限,且集中在少數幾個國家產出——從鹽水中開採或提取。因此,鋰的的稀缺性引起人們擔憂,短缺亦可能會導致電池價格飛漲,阻礙電動車和其他依賴鋰的技術如太陽能儲存發展。

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海水正是解決方案。據估計,全球海洋中含有 1,800 億噸鋰。但其分佈在水中很稀,大約為 0.2ppm (百萬分之 0.2)。過去不同團隊都設計了許多過濾器和膜,嘗試從海水中選擇性過濾出鋰,但全部都依賴蒸發大量水份來找到鋰,這需要大量的土地使用和消耗大量時間,無法將之商業應用。

Jang Wook Choi 和其他研究人員也曾嘗試使用鋰離子電池電極,直接從海水和鹽水中提取鋰,方法毋需先將水蒸發掉。該電極由夾心分層材料組成,讓其可在電池充電時捕獲並保留鋰離子。在海水中,鋰電極上的負電壓將鋰離子拉入電極中,但同時也會吸收與鋰化學結構上相似的鈉,而且海水中的鈉含量是鋰的約 10 萬倍。如果這兩種元素以相同的速度進入電極,鈉幾乎會完全排擠鋰。

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為了解決這個問題,史丹福大學材料科學與工程系教授崔屹領導的團隊則嘗試尋找方法,使電極更具選擇性。首先,團隊在電極上塗上一層薄的二氧化鈦 (titanium dioxide) 阻隔層,阻隔比鋰離子大的鈉離子,讓前者更容易穿過塗層並進入電極夾層中。

團隊亦改變了控制電壓的方式:他們無對電極施加恆定的負電壓,而是先施加負電壓,然後短暫關閉電池施加正電壓,再次將電池關閉,並不斷重複該電壓循環。

崔屹解釋,電壓的變化會導致鋰離子和鈉離子移入電極;停止然後電流變成相反時兩種離子都會移出。但由於電極材料對鋰的親和力比鈉略高,因此鋰離子最先進入電極,最後才會離開。因此,重複此循環可將鋰集中在電極中。經過 10 個只需數分鐘的電壓循環,團隊最終在電極吸到 1:1 鋰鈉比例的離子。

有參與研究的芝加哥大學材料科學家劉翀指,與以前使用電池電極收集鋰的方法相比,新方法至少提高了一倍的收集量,但她提醒新方法仍不夠在地殼中開採鋰便宜,因此她的團隊正嘗試用其他電極來提高吸收鋰的選擇性。

來源:
Science, Seawater could provide nearly unlimited amounts of critical battery material, 13 July 2020

報告:
Liu, C., Li, Y.B., Lin, D.C. & et al. (2020). Lithium Extraction from Seawater through Pulsed Electrochemical Intercalation. Joule. DOI: 10.1016/j.joule.2020.05.017

文/Alan Chiu

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