现在电动车越来越火了！这本来是好事，可问题也来了。电动车用的锂离子电池离不开锂，锂的需求跟着猛涨，传统的提取方法却不给力，又慢又不环保，还提取得不够多。那怎么办呢？今天咱们就一起来了解一篇固态电解质（SSE）的材料来提取锂的研究，据说效果特别好，快来一起看看咋回事吧！

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景：为啥研究锂萃取新方法？

大家都知道，现在全球都在努力搞低碳环保，电动车发展那叫一个快！预计到2035年，超过一半的汽车都会是电动车。这电动车一多，对锂离子电池的需求就暴增，而锂是电池的关键材料，一辆电动车的电池差不多得要8千克锂呢。这么一来，锂的需求在未来十年会疯狂增长，光靠传统的锂矿开采和卤水提取，根本满足不了，所以得想办法从一些非常规的水源，像地下水、油气开采废水、工业废水里提取锂。

以前从水里提取锂的方法，是先通过太阳能蒸发浓缩，再用一系列化学方法提纯和沉淀。但这个方法局限性很大，只能在干旱、地多的地方用，耗时长，还很费化学试剂和淡水，对环境不友好，而且锂的回收率也低。后来又研究出一些直接提锂技术，像离子交换树脂、吸附剂，还有电化学锂嵌入技术，不过这些方法也都有各自的问题，比如选择性不够高，电极寿命短等等。所以，找到一种能高效、选择性地从复杂水溶液里提取锂的方法，就变得特别重要。

二、SSE用于锂萃取的原理：SSE是怎么工作的？

我们这次研究的主角，是固态电解质（SSE），它本来是用在电池里的。我们想看看把它当成膜材料，用来从水里萃取锂会怎么样。研究一开始，我们先得搞清楚离子和水在SSE里是怎么运输的。

我们用的是一种商业化的NASICON型SSE，它的结构就像一个很规整的小格子，里面有很多小空间给锂离子住。在电池里，锂离子能在SSE里移动，是因为有电场提供能量，让它们能跳过一些小空位。

但在膜分离过程中，没有电场的时候，靠浓度差或者压力差也能让离子移动。我们就试着看看在只有浓度差的情况下，锂离子能不能穿过SSE。结果发现，就算两边锂离子浓度差很大，也没有锂离子能穿过，这是因为SSE不让阴离子通过，没有阴离子陪着，锂离子就没办法单独扩散。而且SSE又硬又脆，不太适合压力驱动的应用，所以后面我们就只研究在电场作用下，离子是怎么在SSE里运输的。

把SSE放在一个像小盒子一样的电渗析（ED）装置里，加上4V的电压后，我们发现接收室里的锂离子浓度一直在上升，其他阳离子浓度基本不变，这就说明锂离子是主要的电荷载体。而且通过质量平衡实验，我们确定了这些锂离子不是从SSE材料里跑出来的，而是从进料溶液穿过SSE过来的。

接着，我们又研究了进料溶液里锂离子浓度对锂通量的影响，还和传统的阳离子交换膜（CEM）做了对比。发现锂通量和溶液浓度有关系，在低浓度的时候，SSE和CEM的锂通量变化趋势差不多，都是随着浓度增加而增加；但在高浓度的时候，两者就不一样了，CEM的锂通量一直增加，SSE的锂通量增长就比较复杂，先平稳然后再增加。这是因为在低浓度时，溶液电阻和扩散边界层电阻影响比较大；高浓度时，这些影响变小，膜的传输机制就起主要作用了。而且SSE对水几乎是不透的，这是因为它的晶格结构太紧密，水分子根本钻不进去。

三、SSE与CEM的差异：SSE和传统膜有啥不同？

为了更深入了解SSE的特性，我们对比了SSE和CEM的一些基本性质。先测了它们的离子电导率，发现CEM的电导率比SSE高很多，差不多是SSE的20倍。这是因为CEM里有很多纳米级的充满水的通道，离子在里面移动很方便；而SSE结构紧密，离子只能通过固态扩散机制移动，就像在一个很拥挤的小胡同里走路，自然就慢很多。

我们还用量子化学里的过渡态理论，研究了锂离子穿过这两种膜的能量变化。发现锂离子穿过SSE的能量屏障比穿过CEM高，这和它们的电导率情况是相符的。

不过，进一步分析能量屏障的组成后，发现SSE的焓变屏障比CEM小，这是因为锂离子进入SSE的时候，虽然要脱掉水合层，但同时会和SSE里的一些原子结合，这样就能抵消一部分脱水的能量消耗。而CEM里的固定电荷基团会和锂离子相互作用，虽然有助于锂离子进入膜，但也会阻碍它在膜里移动，所以CEM的焓变屏障比较大。另外，离子在SSE里移动时熵会减小，在CEM里移动时熵会增加，这也导致了它们总自由能屏障的差异。

四、SSE对锂传输的选择性：SSE选锂有多厉害？

前面研究了SSE里离子和水的传输机制，接下来就要看看它在实际应用中，对锂的选择性到底怎么样。毕竟在实际的水溶液里，除了锂离子，还有很多其他离子，像钠离子、镁离子，要把锂从这些复杂的离子混合物里分离出来可不容易。

我们先做了单盐实验，分别用含有锂离子、钠离子、镁离子的溶液，慢慢增加电压，观察电流的变化。发现用氯化锂溶液的时候，电压在1.5V以下时，电流很小，到1.5V左右才开始快速增加；而用氯化钠和氯化镁溶液时，电流变化很不一样，几乎是线性增加，而且电流值比氯化锂溶液小很多。这就说明在SSE里，锂离子的传输和其他离子很不一样，很有可能对锂有很高的选择性。

为了进一步验证，我们又做了一个长期的电渗析实验，用含有等摩尔锂离子和钠离子的溶液作为进料液。结果发现，在长达50小时的实验里，SSE对锂的通量很稳定，而且几乎没有检测到钠离子穿过SSE，这就证明了SSE对锂的选择性非常高，几乎能达到完美的程度。

我们还研究了不同进料液组成、浓度以及pH值对锂通量的影响。发现就算进料液里有很多钠离子或者镁离子，SSE也能保持对锂的高选择性，不过锂通量会随着这些竞争离子浓度的增加而降低。而且，质子对锂通量的影响比其他阳离子更大，在低pH值的时候，锂通量会明显下降。

五、SSE离子选择性的机制：SSE为啥能这么挑锂？

SSE对锂的选择性这么高，背后肯定有原因。我们通过分子动力学模拟和实验表征，来探究它的内在机制。

模拟结果显示，锂离子能在SSE里移动，而钠离子和镁离子根本穿不过去。钠离子穿不过去，主要是因为它的离子尺寸比锂离子大，SSE里的通道就像一个小筛子，刚好能让锂离子通过，而钠离子太大就被卡住了。

我们用一个叫PoreBlazer的软件模拟，发现当模拟离子大小达到钠离子那么大的时候，就没办法进入SSE的内部空间了。

镁离子虽然和锂离子大小差不多，但它是二价离子，和SSE里的一价锂离子不一样。它要是进入SSE，会破坏SSE的结构，需要额外的能量，而且它的水合层又大又紧，进入SSE的能量消耗太大，所以也穿不过去。

另外，我们还发现，虽然钠离子和镁离子穿不过SSE，但它们会在SSE表面聚集，这样就会挡住锂离子进入SSE内部的一些位置，从而降低了锂的通量。通过扫描电子显微镜和能谱分析（SEM-EDS），我们在长期实验后的SSE表面检测到了钠离子，这就证明了我们的推测。

六、研究总结与展望：这个研究有啥用，未来咋发展？

通过这次研究，我们发现SSE作为一种离子选择性膜，在从水溶液里萃取锂方面，潜力巨大。虽然它的锂离子渗透率比传统膜低，但是它的选择性超高，能把锂和其他常见离子分得很清楚，这是很多其他膜材料做不到的。而且，和其他膜材料相比，SSE在锂萃取过程中的能耗更低。

总的来说，SSE材料在直接提锂技术里很有前景，而且它的这种固态传输机制，说不定还能启发我们开发出其他离子导体，用来从水里高效提取更多重要元素呢！

七、一起来做做题吧

1、随着全球电动车的普及，对锂离子电池需求大增，锂的供应面临挑战。目前锂需求预计在未来十年的增长情况是？（ ）

A. 缓慢增长

B. 保持稳定

C. 指数增长

D. 先增后减

2、在研究离子和水在 SSE 中的运输实验中，发现没有电场时，即便锂离子浓度差很大，锂离子也无法穿过 SSE ，其主要原因是？（ ）

A. SSE 对锂离子有排斥作用

B. 没有阴离子陪伴，锂离子无法单独扩散

C. 实验设置存在问题

D. 锂离子在 SSE 中移动速度极慢

3、SSE 和 CEM 相比，离子电导率较低的主要原因是？（ ）

A. SSE 的制作工艺较差

B. SSE 结构紧密，离子只能通过固态扩散机制移动

C. CEM 添加了特殊的导电物质

D. 实验测量误差导致

4、在研究 SSE 对锂传输的选择性实验中，发现 SSE 对锂具有高选择性 ，几乎没有检测到哪种离子穿过 SSE？（ ）

A. 钾离子

B. 钠离子

C. 钙离子

D. 锌离子

5、SSE 对锂有高选择性，钠离子无法穿过 SSE 的主要原因是？（ ）

A. 钠离子带电量与锂离子不同

B. 钠离子离子尺寸比锂离子大，SSE 通道无法让其通过

C. 钠离子化学性质不活泼

D. SSE 表面有特殊物质排斥钠离

参考文献：

Sohum K. Patel et al. Approaching infinite selectivity in membrane-based aqueous lithium extraction via solid-state ion transport. Sci. Adv.11, eadq9823(2025).