便攜式儲能對鋰的需求無止境，因此必須采用可持續(xù)和低碳的方法來回收鋰。傳統(tǒng)的濕法冶金和火法冶金方法大量涉及危險(xiǎn)化學(xué)品和大量二氧化碳排放。在此，通過將電極氧化與電解質(zhì)氧化相結(jié)合，我們建立了光伏驅(qū)動的“雙氧化”海水電解槽系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)低碳足跡和高鋰回收率。從廢舊 LiFePO4 正極材料中回收鋰的鋰浸出率為 98.96%，產(chǎn)品純度為 99.60%。深入的機(jī)理研究表明，電場驅(qū)動的電極氧化和原位生成的氧化電解質(zhì)通過結(jié)構(gòu)框架元素氧化和顆粒腐蝕分裂協(xié)同作用協(xié)同促進(jìn)鋰離子浸出。這種雙氧化機(jī)制有利于快速、高效地提取鋰，具有廣泛的普適性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。我們的工作展示了一種在光伏驅(qū)動海水電解器中集成雙重氧化的有前景的策略，為在可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中從各種固體廢物和礦物中低碳回收鋰鋪平了道路。
圖 1. 電化學(xué)氧化驅(qū)動從富鋰材料（以LiFePO4為代表）中提取鋰的多種機(jī)制。（A）直接氧化法是在施加電場的情況下直接氧化LFP負(fù)極上的框架材料，產(chǎn)生靜電排斥力促進(jìn)Li+滲入電解液。（B）間接氧化法是由電解液的電催化化學(xué)氧化驅(qū)動，在鈦電極上原位產(chǎn)生活性氧化劑，氧化主體材料進(jìn)行鋰滲出。（C）雙氧化機(jī)制依靠電場驅(qū)動的電極氧化和電解液氧化來增強(qiáng)鋰滲出。
圖 2. 不同電解質(zhì)中 LiFePO4 鋰浸出情況比較。(A) 電化學(xué)極化曲線。(B) 鋰浸出效率、(C) 浸出速率、(D) 計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)、(E) XRD 圖案和 (F) 在不同電解質(zhì)中浸出鋰后所得 FePO4 的晶粒尺寸。誤差線表示三次重復(fù)的平均值 ± SD。
圖3. 雙氧化條件下 LiFePO4 的結(jié)構(gòu)演化動力學(xué)。（A）充電條件下的原位 XRD。（B P）從階段 I 到階段 V 的原子分辨率非原位 HAADF 和 BF-STEM 圖像和 FFT 圖案。（Q）(020) 晶面間距的演變。（R）非原位 STEM-EELS 分析 Fe 化學(xué)態(tài)，L3/L2 峰強(qiáng)度比可用于量化 Fe3+/Fe。（S）非原位 Fe 2p XPS。（T）晶體結(jié)構(gòu)動力學(xué)鋰浸出的示意圖。電化學(xué)浸出過程在 0.10 M NaCl 中以 2.50 V 的恒定電壓進(jìn)行。
圖 4. 雙氧化鋰浸出機(jī)理和普遍性。(A)雙氧化鋰浸出機(jī)理的說明。(B)LiCo02，(C)LiMn2O4，(D)Li(NixCoyMn2)O2和(E)鋰輝石鋰浸出效率。晶體結(jié)構(gòu)的演變(F)LiCo02，(G)LiMn2O4，(H)Li(NixCoyMn2)O2和(1)鋰輝石。誤差條是三個(gè)重復(fù)的平均值士標(biāo)準(zhǔn)差。
圖 5. 光伏驅(qū)動的鋰回收系統(tǒng)和沿海未來的工業(yè)園區(qū)。（A）多通道海水電解器浸出系統(tǒng)示意圖和（B）光學(xué)照片。（C）海水電解質(zhì)中的浸出動力學(xué)。（D）回收的 Li2CO3 的 XRD。（E）使用海水的光伏驅(qū)動鋰回收工廠的概念。誤差線：三次重復(fù)的平均值±SD。
圖 6. 環(huán)境效益與技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)。（A）雙氧化浸鋰與傳統(tǒng)方法相比的環(huán)境效益。（B）雙氧化浸鋰的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
相關(guān)科研成果由南方科技大學(xué)Hong Chen， Chunmiao Zheng，Zhang Lin等人于2024年發(fā)表在PNAS（https://doi.org/10.1073/pnas.2414741121）上。原文：Photovoltaic-driven dual-oxidation seawater electrolyzer for sustainable lithium recovery
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2414741121
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
