上海交大徐震原Joule：面向水-能源可持续的卤水提锂

物质科学

Physical science

上海交通大学“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA（Innovation Team for Energy, Water &Air）徐震原教授在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题为“Toward water- and energy-sustainable lithium extraction from brines”的评述文章，揭示了卤水提锂技术在迈向规模化应用过程中面临的水资源消耗隐患，并提出通过回收锂浓缩过程中产生的淡水，有望实现水资源可持续的卤水提锂新范式。研究进一步量化分析了在引入淡水回收功能后，锂浓缩过程所面临的能耗代价与技术约束，并提出一种完全由太阳能驱动的锂-水联产技术路线，展示了通过多技术协同实现水-能源双可持续卤水提锂的前景。

第一作者：于杰

通讯作者：徐震原

单位：上海交通大学

研究背景

随着全球脱碳转型加速推进，锂因其在消费电子、储能与电动交通系统中的关键作用，已成为重要的战略性矿产资源。近年来，全球锂需求持续快速增长，对锂资源的长期、可持续供给提出了更高要求。传统锂资源主要来源于锂辉石等硬岩矿，但其储量有限、地理分布集中，制约了进一步扩展。相比之下，盐湖卤水、地热卤水以及海水中蕴藏着更加丰富、分布更广泛的锂资源，被视为未来锂供给的重要潜在来源。

近年来，卤水提锂技术在锂选择性分离性能方面取得了显著进展。然而，现有研究和技术开发多集中于“如何将锂与杂质分离”，而对整个提锂流程中隐含的大量水资源消耗和能量投入关注不足。这一问题在实验室阶段并不突出，但在规模化应用中可能成为决定性瓶颈。作者指出，一旦锂的高选择性分离在技术上实现，水与能源可持续性将成为制约卤水提锂走向工程化应用的下一关键挑战。

本文要点

要点一：现有卤水提锂技术路径及其水足迹

现有卤水提锂过程通常由两个关键步骤构成：锂提纯与锂浓缩。锂提纯阶段负责将锂离子与共存杂质选择性分离；锂浓缩阶段则通过去除水分，将富锂溶液进一步浓缩至可析出锂盐的浓度。近年来，锂提纯技术快速发展，既包括已实现工业化的传统蒸发法（Evaporitic technology），也包括吸附、溶剂萃取、膜分离、电化学分离等新兴的直接提锂技术（Direct lithium extraction, DLE）。尽管这些技术原理各异，但几乎都不可避免地依赖大量淡水，用于杂质沉淀、洗脱、解吸和产物清洗等过程，带来了显著的淡水消耗风险。这一问题在盐湖资源高度集中的干旱与半干旱地区尤为突出，可能引发严重的水文地质与生态影响。

与此同时，锂提纯后获得的富锂溶液中锂浓度仍然较低（约0.0002 – 2.4g/L），必须通过锂浓缩过程进一步去除水分，将锂浓缩至约21g/L才能实现锂盐沉淀。作者指出，这一锂浓缩过程本身会“释放”大量淡水，若能加以回收利用，有望用于抵消前端锂提纯过程中的水资源消耗。

图1 卤水提锂过程的技术路径及水足迹 (A) 蒸发法过程及淡水消耗 (B) 直接提锂法过程及淡水消耗 (C) 卤水提锂原料液和富锂溶液中锂浓度

要点二：在锂浓缩过程中集成淡水回收，实现水资源可持续提锂

作者对蒸发法与直接提锂法中锂提纯阶段的淡水消耗量和锂浓缩阶段的淡水回收潜力进行了系统的定量对比。结果显示，尽管两类技术路线差异显著，但在多数典型工况下，锂浓缩阶段可回收的淡水量与锂提纯阶段消耗的淡水量相当甚至更高。

这一发现表明：若能够有效回收并循环利用锂浓缩过程中分离出的淡水，卤水提锂在理论上有可能实现“无需额外淡水输入”的水资源可持续运行模式。

图2 卤水提锂水-能源可持续性的潜力与约束 (A) 蒸发法提锂淡水消耗及锂浓缩过程损失的淡水 (B) 直接提锂法淡水消耗及锂浓缩过程可回收的淡水 (C) 富锂溶液浓缩过程的渗透压变化 (D) 富锂溶液浓缩过程的杂质钠离子浓度变化及NaCl结晶风险

要点三：实现锂浓缩过程淡水回收面临的能耗与技术挑战

尽管锂浓缩阶段具备显著的淡水回收潜力，但实现这一目标并非没有代价。当前主要的淡水回收手段包括膜法浓缩和强制蒸发法，二者均面临显著挑战。

膜法浓缩在高盐度条件下面临急剧上升的渗透压限制。作者通过定量分析表明，当富锂溶液被浓缩至满足锂盐生产要求时，其渗透压可超过14MPa，显著高于现有反渗透系统的典型运行压力（约7.5MPa），难以依靠单一膜过程完成浓缩。

强制蒸发虽然耐盐性更强，但能耗极高。即使采用先进的机械蒸汽再压缩（MVR）技术，蒸发能耗仍高于50kWh/m3。综合锂浓缩过程中巨大的水蒸发量，生产每吨碳酸锂所需的能耗仍可高达约450kWh。此外，富锂溶液中残留的钠盐等杂质在浓缩过程中易析出结晶，进一步带来结垢、腐蚀和运行稳定性下降等问题。

要点四：多技术协同的太阳能驱动锂-水联产新模式

作者指出，锂浓缩过程涉及宽范围盐度变化，并伴随复杂的结晶风险，单一技术难以同时满足耐盐、低碳和经济性的综合要求。因此，更可行的路径是根据不同盐度区间，集成多种互补技术，各自运行在最优工况范围内。具体而言：在低盐度阶段，膜法分离可高效实现锂浓缩与水回收；在中高盐度阶段，太阳能驱动的多级蒸馏可兼顾浓缩效率与耐盐运行；在接近饱和甚至结晶阶段，太阳能结晶技术可在持续结晶的同时维持稳定运行。

基于这一思路，作者提出了一种太阳能驱动的锂-水联产系统，通过光伏与光热协同利用，实现提锂过程的能源自给，并在全过程中回收淡水，从而同时满足水资源与能源的可持续性要求。

图3 太阳能驱动的锂-水联产实现水-能源可持续的卤水提锂

作者介绍

徐震原

教授

徐震原，上海交通大学教授、博士生导师，国家级高层次青年人才。研究方向为低品质热能高效利用的海水淡化和热泵等，研究成果发表于Joule、Energy &Environmental Science、Nature Communications等期刊，曾入选2020年、2023年麻省理工学院年度研究新闻、Cell Press中国年度论文，获教育部青年奖、国际水资源奖青年奖、国际制冷学会青年奖、中国机械工业科学技术奖一等奖，担任中国制冷学会理事、中国海洋学会海水淡化与水再利用分会理事等。

▌论文标题：

Toward water- and energy-sustainable lithium extraction from brines

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435125004519

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102270

原标题：《上海交大徐震原Joule：面向水-能源可持续的卤水提锂 | Cell Press论文速递》

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