从海水中收集锂以满足电池需求

Chong刘的实验室

刘崇副教授的实验室正在开发一种新型电极,该电极可以通过一种称为电化学插层的过程从海水中提取有价值的元素。这种方法可能是在任何地方提取锂的最可持续的方法之一。信贷:约翰·齐奇

刘冲副教授寻求设计电极,从海水中收集锂电池。

据估计,到2020年,电动汽车的销售将推动锂的需求是目前水平的五倍. 这一突然的增长让许多公司开始关注为新来源有价值的金属,但一位科学家在普利茨克大学分子工程学院芝加哥大学相信我们有所需的锂,就在岸边等着。

目前大约全球75%的锂来自阿根廷、玻利维亚和智利的一片多山的土地,这个地区被称为“锂三角”。在那里,金属是通过将盐水泵入巨大的露天盆地中提炼出来的,在那里,金属在一年的时间里蒸发。然而,这一漫长的过程在一个急需锂的世界中是一个主要的瓶颈,虽然其他来源确实存在,但大多数都是以环境为代价的。

刘冲

刘崇副教授

为了防止迫在眉睫的短缺,包括美国在内的许多国家美国,正在为需求元素寻找可持续的开采方法。这就是普利兹克分子工程学院纽鲍尔家族助理教授刘冲的切入点。

刘是一名材料科学家,她研究物质的性质,以创造高度专门化的材料。目前,她的实验室正在开发一种新型电极,可以使用一种称为电化学插层的过程从海水中提取有价值的元素。虽然刘的工作仍处于早期阶段,但它可能是最可持续的提取锂的方法之一。

“我们最大的动机是创造一个尽可能环保的过程,”刘说。“由于我们采用的是电化学方法,我们完全不需要强热或强酸,我们只得到我们想要的单离子选择性元素。”

这是美国能源部正在认真对待的方法之一。9月2日,刘被任命为接受部分研究的13名研究人员之一3000万美元的基金旨在确保国家清洁能源技术的关键材料供应。

美国能源部长詹妮弗·m·格兰霍姆(Jennifer M. Granholm)表示:“扩大电动汽车基础设施、强化我们国家的电网、为我们的经济提供数以百万计的清洁能源就业机会,这些都依赖于确保钴和铂等关键材料的供应链。”“我们的无碳未来的关键在于增加清洁的美国工业,建立强大的美国制造关键材料的供应链系统,并在国内外积极部署由此产生的气候技术。”

电化学方法

要理解刘的方法,想象一个电磁铁是很有帮助的。与电磁铁吸引和收集黑色金属的方式类似,刘的过程可以吸引和收集锂。电化学插层没有磁性,相反,离子被电场吸引,但原理类似。工人们可以将电极阵列浸入海水中,吸收锂,然后将收集到的锂释放到储槽中。

“我们最大的动机是创造一个尽可能环保的过程。”

庄教授刘

在分子水平上,刘通过设计高度特异的电极材料来实现这一点,这种材料可以将离子吸引到电极上,同时只捕获特定的元素,捕获它们。

不过,这种方法也存在挑战。由于海水中的锂浓度非常低,约为百万分之0.2,因此任何提取技术都需要非常高效,才能以合理的速率提取锂。此外,为了在工业规模上使用这些电极,它们需要由高选择性、高耐久性的材料制成。为此选择最佳人选需要时间。

刘雯理解这些挑战,她在设计层面考虑了这些挑战。她的实验室已经在材料选择过程中看到了有希望的结果,将候选家庭缩小到几个可能的家庭,她正在努力用新的机器学习技术进一步完善这些家庭。她希望在接下来的十年里会有一个新的、完全可持续的提炼锂的系统。

刘说:“我完全期待在10到20年内,我们将看到人员和货物运输方式的彻底转变。”“但要实现这一点,以严肃的方式应对气候变化,我们需要为这一过程的各个方面找到环保的方法,包括电池制造。这就是我们希望提供的。”

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