突破性鋰提取技術，重塑電池供應鏈

在全球電動車電池需求激增的背景下，鋰作為關鍵原料的供應壓力日益加劇。萊斯大學Elimelech實驗室的研究團隊近期開發出一項突破性的鋰提取技術，有望徹底改變產業現狀。這項發表於《科學進展》期刊的研究，展示瞭如何將固態電解質（SSEs）重新應用於水溶液中的鋰提取，實現了近乎完美的鋰選擇性。

傳統的鋰提取方法不僅耗時，還對環境造成嚴重破壞。Elimelech實驗室的研究成果為可持續資源回收提供了新的可能性。該研究團隊發現，原本用於固態電池中快速傳導鋰離子的SSEs，其高度有序且封閉的結構能夠在水溶液混合物中實現前所未有的離子和水分離。

「這項技術的挑戰不僅在於提高鋰產量，更在於以可持續且經濟可行的方式實現這一目標，」通訊作者、土木與環境工程學教授Menachem Elimelech表示。研究團隊致力於開發更環保的鋰提取技術，從非常規來源如油氣生產水、工業廢水和地熱鹽水中回收鋰。

然而，這些方法在離子選擇性方面面臨挑戰，特別是在分離與鋰離子大小或電荷相似的其他離子（如鎂和鈉）時。Elimelech團隊開發的新方法基於SSEs與傳統納孔膜之間的根本差異。傳統膜依賴水合奈米孔來傳輸離子，而SSEs則透過高度有序的晶格中的無水跳躍機制來傳輸鋰離子。

「這意味著鋰離子可以穿過膜，而其他競爭離子甚至水都被有效阻擋，」第一作者、現任麻省理工學院博士後研究員的Sohum Patel解釋道。「SSEs提供的極端選擇性使其成為一種高效的鋰提取方法，因為能量僅用於移動所需的鋰離子穿過膜。」

研究團隊使用電滲析裝置測試了這一現象，結果令人驚艷：即使在高濃度競爭離子的情況下，SSEs仍表現出近乎完美的鋰選擇性，產品流中未檢測到任何競爭離子。這是傳統膜技術無法實現的。

透過結合計算和實驗技術，團隊深入研究了SSEs為何能表現出如此卓越的鋰離子選擇性。研究發現，SSEs的剛性和緊密堆積的晶格結構阻止了水分子和較大離子（如鈉）透過膜結構。具有不同電荷的鎂離子也被發現與晶體結構不相容，因此被排斥。

「晶格就像一個分子篩，只允許鋰離子透過，」Elimelech解釋道。「這種高度精確的尺寸和電荷排除的結合，使SSE膜如此獨特。」

研究人員指出，雖然競爭離子不會穿透SSE，但它們在進料溶液中的存在會阻擋離子交換的可用表面位點，從而降低鋰通量。他們認為這一挑戰可以透過進一步的材料工程來解決。

隨著鋰短缺的逼近，依賴鋰離子電池的汽車、電子和可再生能源等行業正在尋找額外的鋰來源和更可持續的提取方法。基於SSEs的膜技術可以在不造成傳統採礦環境代價的情況下，確保穩定的鋰供應。

「透過將SSEs整合到電滲析系統中，我們可以從各種水溶液中直接提取鋰，減少對大型蒸發池和化學密集型純化步驟的需求，」Patel表示。「這可以顯著降低鋰生產的環境足跡，同時提高過程效率。」

這項研究還暗示了SSEs在離子選擇性分離中的更廣泛應用。「SSEs中的離子選擇性機制可能啟發開發類似的膜，用於從水源中提取其他關鍵元素，」Elimelech補充道。「這可能為資源回收開闢一類新的膜材料。」