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日前，南京工業(yè)大學(xué)教授邢衛(wèi)紅、仲兆祥團(tuán)隊(duì)與澳大利亞蒙納士大學(xué)教授王煥庭合作，在《自然綜述：材料》發(fā)表題為“無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)膜在鋰萃取中的應(yīng)用”評(píng)述論文，首次全面介紹了無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，并揭示了基于埃級(jí)離子通道的膜材料的離子分離特性，為高效鋰離子分離膜設(shè)計(jì)提供了新思路，有望從海水中提取鋰。

“與新興的離子分離膜材料相比，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)憑借快速的鋰離子傳輸和高離子電導(dǎo)率成為離子分離膜的理想選擇?！敝僬紫榻榻B道，目前，鋰主要通過(guò)陸上礦石和鹽湖鹵水提取，但這工藝耗時(shí)、成本高且污染環(huán)境。2015年，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)首次被用作鋰離子選擇性膜從海水中回收鋰。此后，具有不同晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料也相繼被開(kāi)發(fā)并成功用于鋰離子的分離與回收。

無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)是其選擇性離子傳輸機(jī)制的核心。由于無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的晶格孔徑有限，無(wú)法容納帶有完整水合殼層的鋰離子，因此鋰離子在通過(guò)材料前必須首先脫去外層結(jié)合的水分子。脫水后，裸離子穿過(guò)晶格，在相互連接的空位和間隙缺陷之間跳躍，形成定義明確的離子通道?！半x子通道的尺寸類(lèi)似‘智能門(mén)禁’，與晶格結(jié)構(gòu)相匹配的離子，如鋰離子可‘絲滑通過(guò)’，而不匹配的離子則被排除在外，從而實(shí)現(xiàn)選擇性離子傳輸。”仲兆祥告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

當(dāng)離子半徑大于離子通道的離子進(jìn)行傳輸時(shí)，如鈉和鉀，由于尺寸不匹配，需迫使晶格發(fā)生形變，從而需要克服更高的能量勢(shì)壘，遷移效率則顯著降低，形成“拒之門(mén)外”的效果。同樣，鎂和鈣等高價(jià)離子與晶格結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)離子會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電相互作用，同時(shí)被離子通道周?chē)难鯕饫卫问`，從而進(jìn)一步降低了它們的擴(kuò)散速率。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中簡(jiǎn)要介紹了無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的多種類(lèi)型，以及其發(fā)展過(guò)程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并著重強(qiáng)調(diào)了這種新型鋰離子選擇性膜材料在直接鋰萃取方面的巨大潛力。作為一種創(chuàng)新的離子選擇性膜材料，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)能夠高效、精準(zhǔn)地分離并提取鋰離子，不僅能夠克服傳統(tǒng)提鋰方法效率低、污染重等難題，還大幅提升了鋰的回收效率。論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)教授劉澤賢表示，目前實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)膜，已成功應(yīng)用于海水和鹽湖鹵水的鋰提取實(shí)驗(yàn)，并獲得高純度的鋰產(chǎn)品。未來(lái)，它有望推動(dòng)綠色鋰資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，為新能源汽車(chē)、高端制造和新能源產(chǎn)業(yè)提供重要材料支撐。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41578-025-00808-z

2025年5月26日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/5/544674.shtm