“盐水”让锂离子电池更安全
锂离子电池广泛应用于笔记本电脑、手机等便携式电子设备，给我们的日常生活带来了极大的便利，但其安全性问题也一直被很多人所担忧。近日，来自美国的一项研究指出，一种特殊的“盐水”有望提高锂离子电池的安全性。
锂离子电池之所以有时会发生爆炸等安全性问题，是因为电池通常使用易燃的有机溶剂作为电解质。使用水溶液代替有机溶剂不仅能大大降低电解质的易燃性，而且对环境也更加友好。但一个难以克服的问题在于：在锂离子电池通常的工作电压下，水很容易被电解为氢气和氧气，这反而使得电池更加危险，即便极少量的氢气也会严重影响电池的性能。
由来自美国马里兰大学王春生教授和美国陆军研究实验室徐康博士两位华人学者领导的研究小组尝试了新的思路。他们将一种锂的离子化合物——双三氟甲烷磺酰亚胺锂以极高的浓度溶于水，得到了一种独特的“盐水”。由于溶液中锂盐的体积和质量分数都高于水，这种“盐水”实际上应该视为水溶于锂盐中形成的溶液。这种溶液的导电能力与常规有机溶剂电解质相当，而可燃性要大大低于后者。在电池使用过程中，溶液中的锂盐会先于水发生电解，电解产物会沉积在电极上形成保护层，防止水的电解的发生，而导电能力不会受到影响。类似的保护层在使用非水电解质的电池中很常见，但因为基于水溶液的电解质电解产物是氢气和氧气，通常很难形成固态保护层，而这项新的研究巧妙地解决了这个问题。
进一步的实验表明，利用这种新型电解质构建的锂离子电池有着良好的性能。因此，通过这种方法，锂离子电池的安全性能有望得到显著改善。
编译：嵌段共聚物
从地热盐水中淘“锂矿”
随着锂电池在电子产品、新能源汽车等领域的火热应用，锂元素的价值也愈发凸显。
目前，锂主要是从富含锂的海水、地下热盐水或岩石中提炼获得。不久前，美国加州能源委员会还专门讨论从地热盐（卤）水中提取锂，以期在美国创造一个“世界级的锂产业”。
在此之前，由美国公司Lilac Solutions与澳大利亚公司Controlled Thermal Resources（CTR）合作的美国加州索尔顿海盐湖地热盐水锂矿，凭借其创新的锂回收技术，吸引了比尔·盖茨旗下风投Breakthrough Energy Ventures（BEV）的2000万美元的投资。
该风投的投资人还包括阿里巴巴的马云、亚马逊的杰夫·贝索斯及彭博的迈克尔·布隆伯格等资本大佬。
在业内看来，地热盐（卤）水或许也会成为我国提高锂的可持续自主生产、降低对锂进口依赖的解决方案之一。
手里有矿，心中不慌
《洛杉矶时报》报道，上述锂矿项目位于美国加州南部帝王谷的索尔顿海盐湖。该湖的盐分（4.4%）高于太平洋，有很多冒出地下热盐水的泥丘。这些盐水富含锂和其它矿物元素，几十年来吸引了无数“淘金者”前仆后继地投资。
然而，此前这些锂矿项目大多成本过高，如果无法脱手，最终只好关门了之。
Lilac Solutions称，其公司用独有的离子交换珠技术取代了传统的蒸发池方法，能够连续高效率地处理地热盐水，从而提纯出电池级的锂产品。该技术不仅可以降低生产成本，还能充分利用低品位的资源。
目前，全球锂的主要供应方为南美的盐水锂矿和澳大利亚的岩石锂矿。索尔顿海盐水锂矿项目如果能够在2023年投入运行，预计第一年就将生产出超过1.7万吨锂，届时有望跻身锂市场主要玩家的行列。
“电动汽车是削减碳排放的最有前景的机会，但电池原材料如锂和钴的供给不足是其最大挑战。”
BEV投资人Carmichael Roberts称，Lilac Solutions的新技术使得生产商能够以更低的成本从更新的资源中提炼出更多的产品，这能够改变锂市场的供求关系。
这类工业级创新还能够最终支持机动车向电动车的转变。
实际上，锂矿不光博得了私营企业的青睐，美国能源部在十几年前就资助过很多能够从地下热盐水中高效提取锂的分子筛研究。
加州能源委员会于2019年12月发起了名为“GFO-19-303克服技术障碍与实现盐水中矿物锂回收的地热能”的项目。
项目包含“提高现有地热设施的产能和灵活性”“改进回收锂的处理技术”以及“从地热盐水中回收锂的实施和示范工程”三个子课题，将资助总计1400万美元的地热回收研究课题。
中国地质大学（北京）教授李克文向《中国科学报》分析称，鼓励这类研究项目对于美国加州有许多好处。首先锂作为电子、新能源产业重要的战略资源，当地政府不希望过度依赖进口。
其次，加州历来重视地热、太阳能、风电等清洁能源，投入的经费在美国所有州中是最多的。
目前，加州地热装机容量约4千兆瓦，占该州总发电量的5%~6%。如果能够利用现有地热发电项目的热盐水提取锂等稀有元素，不仅能够取得一部分额外的经济效益，而且有利于地热盐水的环保回灌，还可以增加不少就业岗位。
据李克文介绍，过去十几年来，美国能源部一直对从地热盐水中回收锂等稀有元素的理论和有关技术非常重视，资助了不少科研项目，也取得了一些重要成果。
把地热盐水“吃干榨净”
那么，除了提供锂以外，地热盐水（盐度3%~5%）、卤水（盐度高于5%）还有哪些用途？中国科学院院士汪集旸提出了“三重禀赋”。
在康养方面，40~50℃的地热盐水具有很好的疗养效果。我国用地热水泡温泉已有2000多年的历史，目前在这方面的开发也很广泛。
第二重禀赋是能源。地热井口温度达到150~200℃就可以高温发电，如西藏的羊八井地热发电站。
此外，还包括低温热水的非电直接利用。汪集旸说，我国的地质特点决定了地热资源以中低温为主，除西藏、腾冲等少数地区有高温地热资源外，广大东部地区的地下热水低于100℃，这类热水虽然能量密度低，但可以用于供暖、制冷以及生活热水三联供。
据他估计，目前中国的浅层地源热泵（深度少于200米）项目在以每年10%的速率增长。
地热盐水的第三重禀赋是可以提取稀有元素。汪集旸告诉《中国科学报》，除了锂以外，一些地区地热盐水中的钾、氦、溴、碘等稀有元素的含量也具有重要的工业价值。
“1959至1962年，我在莫斯科地质学院读研期间，结合导师承担的苏联地质保矿部项目“西西伯利亚自流盆地地下卤水中Br、I 微量元素的分布与提取”，完成了我的副博士论文。”汪集旸回忆道，“可见，苏联在上世纪50至60年代就已经非常重视从地下盐（卤）水中提取有用矿物元素乃至矿产资源的工作。”
上世纪60年代，我国曾存在缺乏钾盐的问题。“在西北地区发现钾盐矿以前，从自贡2000多米深的地下卤水中提取的钾盐解了燃眉之急。”汪集旸说。
目前，我国每年需要以碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂等方式大量进口锂盐用于医药、新能源、新材料等多个制造业门类。
据中国有色金属工业协会锂业分会发布的《2018年锂产品进出口情况简报》，2018年中国碳酸锂进口总量为2.4万多吨。
与此同时，我国已成为锂电池的主要生产国，2018年中国锂离子电池总出货量102吉瓦时，国际占比约54%。
多位专家认为，我国要想提高锂等稀有元素的可持续自主生产、降低对这些资源的进口依赖，挖掘地热盐（卤）水资源或将成为解决方案之一。
呼吁启动地热盐水提取工作
据统计，目前我国锂资源主要集中在青海、西藏、四川等地区，占全国总量的85%左右。其中，青海现在已经探明的氯化锂储量为1982万吨，西藏为1740余万吨。
“从锂资源的总量来看我们是全球最大的，但大而不强。”中国科学院院士郑绵平指出，我国锂原料对外依赖度依然较高，目前的使用量主要依赖于进口锂辉石及盐湖卤水。
在“十四五”规划中，地热作为一种重要的清洁和可再生能源得到了高度重视。
2019年10月，中国工程院启动了“夏热冬冷”地区地热能应用战略研究课题。
而汪集旸牵头的《长三角地区地热资源及其综合利用研究》近日也获得了中国科学院评议通过。
“除了地热发电、地热三联供以外，应该把从地热盐（卤）水里提取矿物质也作为‘十四五’规划之一，把这方面的工作启动起来。”汪集旸呼吁。
此外，记者了解到，盐湖提锂也将成为全球未来锂矿开发的趋势。
其中，地下卤水型锂矿以四川自贡、湖北潜江地区的地下卤水为代表，该类资源开发利用的潜力较大。
《中国科学报》 （2020-04-22第3版 能源化工）
编辑 | 赵路
排版 | 志海
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