美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的化學家證實，地殼中一種廣泛存在的礦物氫氧化鋰對鋰的吸附能力比以前使用的吸附劑高出5倍。

利用新研制的工藝從礦山、油田和舊電池滲出的廢液提取鋰，研究人員證實氫氧化鋁可作為硫酸鋰的吸附劑并保留它。

“與其他直接提鋰方法相比，這種工藝的關鍵優(yōu)勢是適用的PH值范圍廣，可從5到11”，ORNL研究員和論文作者帕蘭斯·帕蘭薩曼（Parans Paranthaman）在媒體發(fā)布會介紹此項發(fā)現(xiàn)時稱。

此項正在申請專利的無酸提取工藝在140攝氏度下進行，而傳統(tǒng)工藝為焙燒開采礦石：若用酸，溫度為250度，不用酸，溫度為800-1000攝氏度。

這項技術原理是鋰化，即氫氧化鋁粉末從溶劑中提取鋰離子形成穩(wěn)定的二元層狀氫氧化物，或LDH（Layered double hydroxide）。然后在脫鋰過程中，用熱水處理使得LDH釋放鋰離子并再生成吸附劑。在再鋰化過程中，吸附劑可重用來提取更多鋰。

“這就是循環(huán)利用的基礎”，帕蘭薩曼稱。

快速反應

氫氧化鋁以4個高度有序的多晶體和一個無序的無定型形式存在。

形態(tài)對于吸附劑功能發(fā)揮很關鍵。

“根據(jù)量熱儀測定，我們發(fā)現(xiàn)無定型是最不穩(wěn)定的氫氧化鋁形態(tài)，因此活性高”，本項研究共同作者賈揚蒂·庫馬爾（Jayanthi Kumar）稱。“這是提高鋰萃取能力的關鍵”。

由于無定型氫氧化鋁是此種礦物最不穩(wěn)定的形態(tài)，當遇到廢粘土滲出的鹵水時，會同其中的鋰發(fā)生天然反應。

“只有通過測量，我們才認識到無定型是最不穩(wěn)定的形態(tài)。這也是其更具活性的原因”，庫馬爾稱。“與其他形態(tài)性比，要獲得穩(wěn)定性，其反應速度很快”。

回收鋰的兩個步驟

吸附劑可以從含鋰、鈉和鉀的溶液中選擇性吸附鋰并形成LDH硫酸鹽，庫馬爾正在對此工藝優(yōu)化。

研究人員使用掃描電子顯微鏡對氫氧化鋁鋰化過程中的形態(tài)進行觀察。這是一種帶電的中性層，含有原子空位或微孔。鋰在這些位置被吸附。空位大小是氫氧化鋁選擇性吸附鋰的關鍵，鋰是一種帶正電的離子或陽離子。

“空位很小，只適合鋰這樣大小的陽離子”，庫馬爾稱。“鈉和鉀陽離子半徑更大。更大的陽離子不適合這種空位。不過，對于鋰來說是完美的空位”。

無定型氫氧化鋁對鋰的選擇性吸附能帶來近乎完美的效率，比以前用來提鋰的氫氧化鋰晶體三水鋁石高出5倍。

鋰化第一步能從礦山或油田的滲濾液或鹵水中提取86%的鋰。浸液從無定型氫氧化鋁第二次經(jīng)過就可以提取剩余的鋰。“經(jīng)過兩步，就可以完全回收鋰”，帕蘭薩曼稱。

工藝更綠色

普渡大學的文卡特·羅伊（Venkat Roy）和趙浮分析了直接提鋰循環(huán)利用全生命周期效益。他們將ORNL工藝同使用碳酸鈉的標準方法進行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ORNL技術使用材料和能量減少了2/3，因此排放的溫室氣體更少。

下一步，研究人員希望擴大工藝來提取更多的鋰，并產(chǎn)生特定形態(tài)的吸附劑。現(xiàn)在，當無定型氫氧化鋁與鋰反應隨后用熱水處理清除鋰并再生吸附劑時，結(jié)果導致氫氧化鋁結(jié)構發(fā)生變化，從無定型轉(zhuǎn)化為名為三羥鋁石的晶體。

“三羥鋁石活性較小”，庫馬爾稱。“要發(fā)生反應，要么時間長達18個小時，要個需要更高濃度的鋰，而無定型氫氧化鋁僅需3個小時就能從浸液中提取所有鋰。我們需要找到一條回到無定型態(tài)的途徑，無定型態(tài)是極易反應的”。

科學家們相信，如果新工藝優(yōu)化后能夠提高萃取速度和效率，將根本改變國內(nèi)鋰供應。世界陸地鋰儲量一半以上位于溶解礦物含量高的地方，比如加利福尼亞州的薩爾頓海或德克薩斯州以及賓西法尼亞洲的油田。

“國內(nèi)看，實際上目前我們不具備鋰制造能力”，帕蘭薩曼稱。“北美地區(qū)鋰產(chǎn)量僅占全球的2%。如果我們采用ORNL工藝，就可以利用美國各地的鋰資源。這種吸附劑性能非常好，可以適用于任何鹵水，甚至可用于鋰離子電池回收液”。