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27
2026
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08
ACS Energy Lett.：让“嵌锂”变成连续传输，尖晶石离子通道耦合双极膜实现废旧电池高纯锂回收
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背景
随着电动汽车和储能产业快速发展，废旧锂离子电池正成为重要的二次锂资源。传统火法回收过程中锂往往进入炉渣，后续回收困难；湿法工艺虽然能够将电极材料充分浸出，但所得浸出液通常同时含有Li⁺、Ni²⁺、Co²⁺等多种金属离子，且锂相对于过渡金属的选择性分离困难，往往需要经过多级沉淀和纯化后才能最终回收。近年来，以尖晶石LiMn₂O₄（LMO）为代表的电化学提锂材料受到关注，其三维晶格具有与Li⁺高度匹配的扩散通道和晶格空位，可通过选择性嵌入/脱出实现Li⁺与Ni²⁺、Co²⁺等竞争离子的分离。然而，传统电化学方法需要在嵌锂和脱锂之间周期性切换电位及溶液，本质上仍属于间歇式“捕获–释放”过程，限制了连续运行和处理通量。因此，如何将LMO优异的晶格离子选择性转化为真正连续的跨膜Li⁺传输，是推动其从选择性电极材料走向实际锂回收过程的关键。
创新
近日，南京工业大学邢卫红、刘泽贤教授团队将尖晶石LMO陶瓷离子交换膜与双极膜电渗析（BMED）耦合，构建LMO-BMED连续提锂体系。其核心是利用双极膜水解离持续产生H⁺，以稳定质子通量驱动LMO晶格内部的H⁺/Li⁺化学计量交换：Li⁺选择性进入并沿LMO晶格通道迁移，同时由原位产生的H⁺持续置换晶格中的Li⁺，从而将传统“嵌入–脱出”的周期操作转化为连续离子交换与跨膜输运。该设计无需周期性更换溶液，也不需要额外循环洗脱液，并通过双极膜原位产酸实现体系的pH调节。实验表明，LMO晶格在二元体系及模拟废旧电池浸出液中均保持了对Li⁺相对于Ni²⁺和Co²⁺的高选择性。在优化条件下，体系实现了0.255 kg m⁻² day⁻¹的Li⁺回收通量和99.75%的产品纯度；按照实验通量外推，1 m²膜面积24 h可回收约254.5 g Li⁺，展现出连续、高选择性锂回收的潜力。
意义
该工作的关键意义并不只是提高了锂回收性能，而是改变了尖晶石嵌锂材料的使用方式：LMO不再仅作为需要反复充放电的“离子存储电极”，而被进一步转化为具有晶格级选择性的连续离子传输膜，并借助双极膜原位产生H⁺为H⁺/Li⁺交换持续提供驱动力。这种“晶格选择性通道+原位离子交换驱动力”的设计将材料层面的Li⁺识别能力与过程层面的连续运行结合起来，为解决传统电化学提锂中捕获与释放相互分离的问题提供了新的思路。更重要的是，该体系直接面向含Ni²⁺、Co²⁺等竞争离子的模拟废旧锂电池浸出液，并获得99.75%的高纯锂产品，显示出与电池湿法回收流程衔接的潜力。未来，这种通过工程化晶体离子通道实现连续选择性传输的理念还可进一步拓展至其他陶瓷离子交换膜和关键金属体系，为废旧电池闭环回收以及复杂资源中的关键矿产*分离提供新的膜过程设计范式。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/_en2f2Hy-tsZi0GN_3QsoQ
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