美国科学家利用机械化学方法改变锂提取

盖世汽车讯 当人们想到化学时，通常想到的图像是实验室中烧杯、烧瓶和试管中的各种有色液体。但在实际应用中，化学可以涉及所有状态的材料：液体、气体，甚至固体。

据外媒报道，由美国能源部（U.S. Department of Energy）艾姆斯国家实验室（Ames National Laboratory）领导的关键材料创新中心（Critical Materials Innovation，CMI）的科学家们正在使用化学子学科（机械化学，改变了对化学反应的传统理解），利用机械力搅拌、翻滚和粉碎固体来引发化学反应。此次研究的新工艺——低温机械化学提取锂（MELLT）是一种创造性的解决方案，可以增加美国锂的供应并使其多样化。

图片来源：美国能源部

锂是一种高需求元素，广泛应用于手机、医疗设备和电动汽车等技术中的高性能可充电电池中，但具有相关的供应链风险。随着电动汽车越来越普及，市场对锂的需求不断增加。制造这些电池所需的锂元素（Li）有两个来源：卤水和硬岩矿物。锂卤水是含盐地下水的沉积物，其中积累了溶解的锂。含有锂的主要硬岩矿物称为锂辉石。两种来源都需要不同的提取方法。

CMI和艾姆斯实验室科学家兼项目组组长Ihor Hlova解释说，从卤水中提取锂是一种基于太阳能蒸发的经济高效的工艺。基本上，充满卤水的浅井不断暴露在露天，让水蒸发。这是美国进口和国产锂的主要来源。

目前从硬岩矿物锂辉石中提取锂的方法是能源密集型的，并会产生温室气体和危险废物流。在此过程中，矿石被加热两次。首次在1050°C下烘烤，将其转化为更适合化学处理的状态。在第二轮中，矿石与化学品一起在250°C左右煮沸，形成水溶性锂化合物。所得锂产品的质量高于从盐水中提取的锂。

这两种方法都对锂的高需求市场提出了挑战；盐水的生产时间太长（12-24个月），硬岩矿物开采消耗太多能源。此外，盐水在加工的各个阶段都需要大量的淡水，而直接矿物提取会产生有毒的副产品。

为了避免这些问题并创建更高效的流程，Hlova的团队使用了机械化学。“机械化学是提取方法中一项未得到充分利用的技术，”艾姆斯实验室博士后研究员、研究团队成员Tyler Del Rose表示。“通常它用于粉碎初始材料或混合反应物，但在极少数情况下它被用来促进化学反应。”

所有化学反应都需要能量。这种能量可以有多种形式，如热、光或电。但就机械化学而言，它来自机械力。“机械力会导致固体材料表面出现结构缺陷，”Hlova表示。“这些缺陷成为反应点，化学反应可以更快更容易地发生。”

利用这些原则，Hlova的团队开发出MELLT。在球磨过程（ball milling）中，研究人员将固体锂辉石块和固体化学反应物（如碳酸钠Na2CO3）放入装有钢球的腔室中。腔室以不同的方式移动，导致材料之间产生快速、重复的剪切应力和冲击应力。反复的压力最终会导致化学物质内形成高能状态，导致它们相互反应。这些反应产生水溶性锂化合物。而这些锂化合物通过水洗从最终产品中提取出来。

MELLT简化了硬岩矿物的开采，大大减少了能源消耗，并消除了有毒废物流。MELLT也比盐水提取方法快得多。“机械化学提供了一种更可持续、更环保的化学反应方法，”Hlova说。“该项目提供了美国锂供应链多元化的潜力，降低了锂的重要性，并为可持续的未来铺平了道路。”