便攜式儲能對鋰的需求無止境，因此必須采用可持續和低碳的方法來回收鋰。傳統的濕法冶金和火法冶金方法大量涉及危險化學品和大量二氧化碳排放。在此，通過將電極氧化與電解質氧化相結合，我們建立了光伏驅動的“雙氧化”海水電解槽系統，以實現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%，產品純度為 99.60%。深入的機理研究表明，電場驅動的電極氧化和原位生成的氧化電解質通過結構框架元素氧化和顆粒腐蝕分裂協同作用協同促進鋰離子浸出。這種雙氧化機制有利于快速、高效地提取鋰，具有廣泛的普適性，具有顯著的經濟和環境效益。我們的工作展示了一種在光伏驅動海水電解器中集成雙重氧化的有前景的策略，為在可持續循環經濟中從各種固體廢物和礦物中低碳回收鋰鋪平了道路。
圖 1. 電化學氧化驅動從富鋰材料（以LiFePO4為代表）中提取鋰的多種機制。（A）直接氧化法是在施加電場的情況下直接氧化LFP負極上的框架材料，產生靜電排斥力促進Li+滲入電解液。（B）間接氧化法是由電解液的電催化化學氧化驅動，在鈦電極上原位產生活性氧化劑，氧化主體材料進行鋰滲出。（C）雙氧化機制依靠電場驅動的電極氧化和電解液氧化來增強鋰滲出。
圖 2. 不同電解質中 LiFePO4 鋰浸出情況比較。(A) 電化學極化曲線。(B) 鋰浸出效率、(C) 浸出速率、(D) 計算反應速率常數、(E) XRD 圖案和 (F) 在不同電解質中浸出鋰后所得 FePO4 的晶粒尺寸。誤差線表示三次重復的平均值 ± SD。
圖3. 雙氧化條件下 LiFePO4 的結構演化動力學。（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 化學態，L3/L2 峰強度比可用于量化 Fe3+/Fe。（S）非原位 Fe 2p XPS。（T）晶體結構動力學鋰浸出的示意圖。電化學浸出過程在 0.10 M NaCl 中以 2.50 V 的恒定電壓進行。
圖 4. 雙氧化鋰浸出機理和普遍性。(A)雙氧化鋰浸出機理的說明。(B)LiCo02，(C)LiMn2O4，(D)Li(NixCoyMn2)O2和(E)鋰輝石鋰浸出效率。晶體結構的演變(F)LiCo02，(G)LiMn2O4，(H)Li(NixCoyMn2)O2和(1)鋰輝石。誤差條是三個重復的平均值士標準差。
圖 5. 光伏驅動的鋰回收系統和沿海未來的工業園區。（A）多通道海水電解器浸出系統示意圖和（B）光學照片。（C）海水電解質中的浸出動力學。（D）回收的 Li2CO3 的 XRD。（E）使用海水的光伏驅動鋰回收工廠的概念。誤差線：三次重復的平均值±SD。
圖 6. 環境效益與技術經濟評價。（A）雙氧化浸鋰與傳統方法相比的環境效益。（B）雙氧化浸鋰的技術經濟分析。
相關科研成果由南方科技大學Hong Chen， Chunmiao Zheng，Zhang Lin等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
