如何让锂提取更清洁、更快、更便宜——六步

锂的需求正在飙升。这种元素是绿色技术的关键成分，包括手机、笔记本电脑、电动汽车和电网的电池^1，2．锂离子电池是保持电量和高效供电的最佳选择之一。到2025年，锂元素的需求将是2018年的三倍(15 - 19万吨)^3.．到2100年，这一数字可能上升到每年40 - 70万吨⁴．

理论上，地下有足够的锂资源来满足这一需求——在经济开采的地方，大约有2000万吨锂资源可供开采，在其他地方还发现了近9000万吨锂资源⁵．但实际上，这是一个生产瓶颈。开设新矿和加工设施的速度缓慢且成本高昂，因此未来十年可能会供不应求(见“锂供应缺口”)。国际能源署(IEA)预测，到2030年，生产商只能满足锂行业一半的需求，同时实现与巴黎气候协定一致的可持续发展目标⁶．

从岩石、盐水和粘土中开采和加工锂的方法也不尽如人意。在过去的一个世纪里，他们几乎没有改变，依赖低效、浪费和破坏环境的机械和化学过程。锂开采和加工的整个基础需要重新思考。

通常，岩石矿石在1100°C烘烤，然后在250°C的酸中烘烤，以释放(“浸出”)硫酸盐形式的锂(Li₂所以₄）⁷．类似的程序用于粘土⁸．接下来，使用六种化学反应将不需要的金属分离出来，这需要更多的热量和试剂。最后，蒸发溶液，留下纯碳酸锂(Li₂有限公司_3.)或氢氧化锂(LiOH)。盐水的处理方法类似，或者可以放在外面蒸发几个月到一年——这个速度太慢了，无法促进该行业的发展。

锂的化学处理也会消耗大量的能源和水:生产1吨锂盐所需的电力大约相当于6个美国家庭一年的用电量(60兆瓦时)，以及一个小游泳池的用水量(70立方米)。它产生了大量的固体废物⁹和排放。根据原料，生产1吨锂₂有限公司_3.或LiOH会释放3到17吨二氧化碳——是1吨钢铁排放的2到11倍，比一名乘客从旧金山到纽约的往返航班还要多(大约1.5吨二氧化碳)₂)．总的来说，加工约占二氧化碳的70%₂与锂生产相关的排放⁶；其余的则是采矿和运输(见“锂开采排放”)。根据我们使用国际能源署数据的计算，这一总量为360万吨₂2020年对李来说₂有限公司_3.．国际能源署的数据显示，到2050年，二氧化碳的排放量可能会增加到6000万吨₂每年。

矿业扩张也有很多不利因素。世界上大部分的锂都来自少数偏远地区⁵．其中一半以上(54%)是在西澳大利亚开采的硬岩“锂辉石”矿石。盐水是下一个最常见的来源，在智利、玻利维亚和阿根廷之间的“锂三角”盐沼(盐沼)的地表池和地热泉中发现，以及在加利福尼亚。在加利福尼亚南部、内华达南部、墨西哥、塞尔维亚和坦桑尼亚的莫哈韦沙漠也发现了含锂粘土。

这些主要干旱地区已经面临水资源压力，而极端高温和洪水等气候风险又加剧了这一问题。洪水会把污染扩散到附近的水体。例如，留在蒸发池中的碎片或“矸石”含有重金属，如砷、铊和铬，以及铀和钍，这些天然存在的放射性元素也存在于锂矿石中。

采矿的不良社会后果从安全与健康保护不足到侵犯人权。锂开采公司必须坚持许多公司在环境、社会和治理方面作出的坚定承诺，继续保护环境以及工人和当地居民的健康(例如，见go.nature.com/3k3qfbb)．

如果没有任何改变，仅仅是在现有地点增加锂的产量就会抵消它们所驱动的清洁技术的好处。在这里，我们强调了锂行业的六个优先事项。

用更少的步骤提取锂

直接从盐水或酸性溶液中提取锂避免了许多化学反应的需要，消耗更少的原材料、水和能源。化学家和工程师正在试验这样的系统，尽管大多数还没有商业化。它们使用一种“吸附剂”——通常是一种多孔的金属氧化物——来吸引和集中锂离子¹⁰．用盐酸或硫酸(H₂所以₄)，而该吸附剂可重复使用。

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电解是另一种节省试剂和排放的方法。一般来说,李₂所以₄通过与碳酸钠(Na₂有限公司_3.)使…₂有限公司_3.然后是氢氧化钙(Ca(OH))₂)形成LiOH。但这两种反应物的生产都是碳密集型的。相反，让电流通过溶液在电极上产生反应。在正极，水被转化为质子(H⁺)和氧(O₂)，在负极处，水变成氢氧根(OH)和氢(H)₂)．李⁺离子迁移到负极，在那里它们与氢氧根离子结合生成LiOH。在正极产生的质子然后与剩余的硫酸盐(SO₄²⁻)来创造H₂所以₄，可以恢复。

这些过程仍需优化。化学家们应该设计出一种吸附剂，能够选择性地、快速有效地吸收锂，同时不会变质;今天可用的那些无法将这些品质结合起来。在电解过程中，电极材料需要更加可持续、经济实惠、高温稳定。例如，一些用于涂覆电极的元素，如铱，在50°C以上会降解，应避免使用。需要探索电极和反应器的不同设计、尺寸和几何形状。

把废物转化为有价值的商品

到2030年，锂离子电池行业预计将生产近800万吨硫酸钠(Na₂所以₄)的垃圾，到2050年将增长到近3000万吨(a.z.，个人通信)。这是在Li的结晶过程中产生的₂有限公司_3.，当李₂所以₄与钠反应₂有限公司_3.．目前，垃圾被倾倒在垃圾填埋场或运往海外，这使得处理垃圾成为一项重大挑战。因此，对钠进行再处理是一个巨大的环境机遇₂所以₄回到氢氧化钠(NaOH)和H₂所以₄．这些化学物质是锂开采、电池制造和回收的两大投入¹¹，可能使用5 Mt NaOH和6 Mt H₂所以₄在2030年。到2050年，预计将分别增加到1700万吨和1900万吨(作者的分析使用迎接软件由阿贡国家实验室开发)。

在这里，同样，电解可以通过类似于转化锂盐的过程来使用。除了为废物增加价值外，这一额外步骤还将增强锂离子电池供应链的循环性、可持续性和稳健性。(多家不同规模的公司都在关注这一领域，包括Aepnus Technology, l.h.、B.A.和G.P.都在这家公司工作。)根据行业分析，这样做至少可以减少1.6亿吨二氧化碳的排放₂2024年到2050年之间。成本各不相同，但每吨可能低于1000美元，从而将加工和处置成本降低至少15%。

用电化学方法在地下加工矿物

而不是挖出岩石并在表面分离化学物质，锂可能在它们仍被埋在地下时就被提取出来，使用电化学过程。在富含锂的地质矿床中钻水平井，可以采用类似于页岩油层的“水力压裂”方法。插入电极会分裂水分子并产生氢⁺需要离子将锂浸出到溶液中。产生的液体将被输送到表面，加工成锂盐。

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地下采矿技术仍处于起步阶段，但这种方法在铜回收方面的可行性已经确立¹²这个过程也依赖于酸浸。如何在复杂的材料、表面和界面中，在自然环境中选择性地提取锂等离子，还需要更多的研究。为了验证这一方法，工程师们需要检查断裂深度和颗粒尺寸之间的相关性，以及电池电压和电流密度等操作条件。

反对者可能会认为电化学压裂法可能会恶化水和环境污染。然而，与深层油页岩相比，锂矿或粘土的破裂深度较浅。水和沙子可以作为压裂液，而不需要页岩压裂所需的大量化学表面活性剂和稳定剂。尽管如此，经济建模和生命周期分析对于确认地下采矿的可行性及其对碳(排放和储存在土壤中的)和生态系统的影响至关重要。

用矿石制作电极

电池制造商目前使用纯锂和过渡金属盐从头合成锂离子电极材料。用未经加工的甚至是原材料(比如矿石本身)制造电极将避免大量的化学加工。未来的电极化学也许有一天会使这成为可能。

例如，一些电极是由层状锂镍锰钴氧化物(Li-NMC)制成的。比Li-NMC结构更不规则的材料正在被研究用于电极，包括无序岩盐(DRX)。它们含有锰或钛，这些元素比钴或镍更丰富，更便宜，并且可以比锂- nmc更密集地容纳电荷¹³．但是DRX电极必须在高电压下工作，在高电压下它们变得不稳定。在这种材料用于电池之前，必须克服这个问题。

理论上，直接从锂矿石或粘土中制造电极应该是可行的。这种矿石富含其他元素，这些元素已经被用于电池电极中。例如，锂辉石包括锂、铝、硅和镁，而锂粘土如硬石包含锂、镁、铁和锰——只是排列和环境不适合储存电荷。

尽管这个概念还需要十年才能实现，但化学家和工程师们正在探索其可能性。需要计算模型来检查可能用于浓缩矿石中的锂和过渡金属的反应网络，并确定有用的添加剂。DRX电极和电解质(电极之间的缓冲液)也需要开发能够承受高温并在高电压下工作的电极和电解质。

在全球范围内扩大采矿和回收

为了克服锂的瓶颈，“在哪里”可能和“什么”一样重要。尽管有少数国家开采锂矿，但电池供应链主要集中在东亚和东南亚，尤其是中国。其他国家和地区正在寻求促进国内制造业，并使供应链多样化。欧盟在2018年通过了电池供应链战略(欧洲电池联盟)，美国在2021-22年通过了《两党基础设施法案》、《通货膨胀降低法案》和《CHIPS与科学法案》，以促进包括电池在内的绿色技术的国内生产。

还有十年时间重新设计锂离子电池

从长远来看，投产更多的矿山和加工设施是保护能源安全最简单的方法。尽管这种情况正在开始发生，但采矿和能源基础设施项目进展缓慢——从发现到首次生产平均需要16年，具体时间取决于矿物类型、位置和矿山⁶．监管障碍也打乱了这一时间表。从短期来看，经济稀缺性孕育了创新:使用更少的材料和替代元素可以缓解供应压力并降低成本。例如，在过去十年中，银和硅在太阳能电池中的使用量减少了一半，这有助于加快太阳能电池的部署并降低成本。

应该开发浓度较低的非常规锂资源，包括矿山尾矿和酸性矿山废水，以及石油和天然气钻井的“生产水”。这种方法的经济性需要进行基础和中试规模的研究，以评估其可行性。

锂离子电池的回收也应该加大力度，尤其是为了解决2030年后废弃电动汽车电池数量激增的问题。据业内人士称，到2040年，回收利用可能会提供10%的供应⁶．核心技术确立。在最简单的形式中，电极被移除，并通过添加更多的锂来“刷新”。更常见的情况是，电池被机械粉碎并加热，释放出一种金属合金，包括钴和镍，以及含有锂和其他金属的矿渣。然后，炉渣被像矿石和粘土一样处理，以产生锂盐。就像提取锂原料一样，化学家和工程师需要帮助每个金属离子找到它的归宿，并调整提取过程，以减少步骤和试剂的使用。

协调政策，促进研究和沟通

为推动世界能源转型而不断增长的矿物需求，将给企业、政府和社区带来风险。供应链必须没有不良行为者，矿物和材料必须以负责任的方式采购。数字化文件，如“护照”，可以追踪生产中使用的所有矿物和组件的来源，使跟踪产品和物料流动变得越来越容易。使用质谱仪和跨地理来源的锂同位素组成数据库，可以通过分析同位素来检查其来源。样品制备和分析方法需要标准化，并制定规章制度。全球需求可以通过贸易协定和经济支持方案来激励。

技术创新是另一个协调时机成熟的领域。政府资助的研究中心应与私营企业共同发展，以矿物开采研究为目标，类似于水管理(如美国国家水创新联盟)和半导体(如加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的x射线光学中心)领域的研究。学术创新中心应该支持清洁技术公司。大公司可能会成立风险投资公司来支持早期概念，因为股东通常认为这些概念风险太大。

社区协商对于支持“能源正义”至关重要。例如，在加利福尼亚州东南部，帝国县监事会(Imperial County Board of Supervisors)领导了一个研讨会，并提出了其他建议，以促进市民和工业界就当地锂开采进行讨论。经济合作与发展组织(OECD)等国际机构为围绕能源安全的政策行动提供了指导论坛。

锂挑战代表了一个难得的机会，在这个机会中，基础研究的需求和全球政策是一致的。激励这六种产业转变对于本世纪推广绿色技术至关重要。