本研究由北京航空航天大学材料科学与工程学院的王奇峰（Qifeng Wang）、庞震（Zhen Pang）、孟淑娟（Shujuan Meng）、李晓虎（Xiaohu Li）、梁大为（Dawei Liang）以及北京大学环境科学与工程学院的吴庆昊（Qinghao Wu）共同完成。其中梁大为（Dawei Liang）为通讯作者。该研究成果发表于学术期刊 Chemical Engineering Journal 第546卷，文章编号181218，于2026年8月28日在线发表。
在全球能源结构转型与碳中和目标驱动下，锂作为高性能电池的关键材料，其需求预计到2040年将比2021年增长13倍。然而传统陆地锂资源逐渐枯竭，盐湖卤水和地热卤水约占全球已探明陆地锂资源的61%，海水中更是蕴藏着约2300亿吨锂——是陆地锂储量的2000倍以上。但低品质卤水中锂离子浓度极低（海水中仅0.1–0.2 ppm），且伴生着与锂离子理化性质相似的干扰离子，尤其是高镁锂比（Mg/Li ratio），使得传统蒸发-沉淀法不仅效率低下，还造成严重的水资源浪费和环境污染。因此，开发无需化学添加剂的直接提锂（direct lithium extraction, DLE）技术已成为全球研究重点，其中电化学分离因其高选择性、快速响应和环境相容性而备受关注。
电化学提锂通常分为两条路径：电吸附（electroadsorption, ES）和电渗析（electrodialysis, ED）。ES技术（包括电容去离子capacitive deionization, CDI和电池去离子battery deionization, BDI）在低于1.2 V的电压下工作，但本质上属于间歇式批处理过程，一旦电极饱和就需要切换流体进行再生，导致“混合损失”和“分离废液”，显著降低处理通量。ED虽可连续运行，但依赖高电压克服堆栈电阻，往往引发电解水副反应、高能耗和膜结垢。氧化还原液流脱盐（redox-flow desalination, RFD）以可逆氧化还原电对（如[Fe(CN)₆]³⁻/[Fe(CN)₆]⁴⁻）替代水电解，可在接近零理论电压下驱动离子迁移并支持连续运行，但RFD面临扩展瓶颈：随着膜单元堆叠层数增加，总电阻线性增大，导致电流和离子通量呈指数衰减。
针对上述瓶颈，本研究提出了一种仿生“主动运输”（active transport）机制的RFD-ES混合系统，通过引入活性炭（activated carbon, AC）电极作为“离子中继”（ion relay），结合超短周期电路切换，将总溶液电阻“分割”为独立区段，在低电压下实现锂离子的伪连续单向迁移和富集，系统性地解决了RFD多级堆叠扩展性受限以及ES批处理容量限制的问题。
本研究的实验流程可分为四个主要阶段：系统构建、单电极RFD-ES动力学评价、不同镁锂比条件下的选择性测试以及多电极堆叠系统的运行模式考察。
第一阶段：RFD与RFD-ES系统的构建。 研究者采用实验室自制堆叠装置，膜间距设为10 mm以模拟高膜对数带来的溶液电阻增大效应。膜堆由阳离子交换膜（cation exchange membrane, CEM）、阴离子交换膜（anion exchange membrane, AEM）和单价阳离子交换膜（monovalent cation exchange membrane, MCEM）按特定顺序组装。终端电极采用导电碳毡附着于钛板，作为氧化还原电对的反应位点。通过串联堆叠MCEM和AEM构建了含n个核心腔室的多级RFD系统（记为RFD-n，n=2、4、6、8）。在RFD-ES系统中，AC电极被集成到这些核心腔室内，与终端电极形成三电极串联结构，由多通道电气继电器控制外部电路的切换。AC电极按照文献报道的方法制备：粉末活性炭、导电炭黑和聚偏氟乙烯（PVDF）以85:10:5的质量比混合，溶于二甲基乙酰胺后涂覆于钛网集流体上，活性物质负载量严格控制在10 mg cm⁻²，120°C真空干燥12小时。电解质体系包括：100 mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]混合溶液作为氧化还原电解质，200 mM KCl作为辅助电解质，含不同镁锂比的MgCl₂/LiCl混合液作为模拟卤水（LiCl浓度固定为5 mM），20 mM LiCl作为缓冲液，以及100 mM纯LiCl用于脱盐实验。离子浓度通过离子色谱分析，溶液pH通过pH计在线监测。
第二阶段：堆叠RFD与RFD-ES系统的离子分离性能对比。 在1.0 V恒定电压下，研究者对比了不同堆叠层数（2至8层）下RFD和引入单个AC电极的RFD-ES系统的电流密度和离子通量变化，以验证AC电极对电阻累积效应的克服能力。
第三阶段：单电极RFD-ES系统的动力学与机理评价。 采用简化的单AC电极RFD-ES系统（三电极串联）考察半周期时长（6 s、60 s、600 s）对锂离子传输行为的影响，并评价了系统在不同外加电压下的离子通量和电流效率，监测了终端电极与AC电极的电位变化。此外还考察了进料镁锂比为1、10和40时产物室和缓冲室中的离子浓度变化与pH演变。
第四阶段：多电极堆叠RFD-ES系统的运行模式研究。 构建了含三个AC电极（ACA、ACB、ACC）的多电极RFD-ES系统，在进料镁锂比为40的条件下，分别考察了恒压（constant voltage, CV）模式（1.0 V运行10小时）和恒流（constant current, CC）模式（5 mA运行10小时，截止电压1.0 V）下的锂镁分离性能、各电极电位分布以及各腔室pH的时间演变。
RFD堆叠扩展的电阻瓶颈与RFD-ES的突破。 实验表明，当核心腔室数n从2增加到8时，常规RFD堆的总欧姆电阻线性增大，电流密度和离子通量显著衰减。具体而言，RFD-8的离子通量较RFD-2大幅下降，原因在于每个膜单元上的电场强度被稀释，离子传输受阻。然而当在8层堆叠中引入一个电容性AC电极（即RFD-ES-8）后，电流和离子通量均得到显著恢复。这证明AC电极发挥了“电位锚点”（potential anchor）的作用，将整个堆叠成功分割为n+1个独立区段，克服了堆叠RFD固有的溶液电阻限制。
超短周期切换实现“离子中继”机制。 动力学实验显示，半周期时长是性能的主要动力学决定因素。在长周期运行（600 s）下，系统表现为批式电吸附，进料室和产物室的离子浓度呈现周期性波动；充放电半周期内各腔室浓度变化互相独立，形成“存储储库”模式。而在超短半周期（6 s）下，AC电极进入“动力学超活跃”状态，从“存储储库”转变为高速“离子中继”，实现了伪连续的离子通量，锂分离过程中浓度波动可忽略。高频切换同时缓解了膜表面的浓差极化，进一步提升离子传输速率。长期稳定性测试表明，该系统获得约80%的稳定电流效率，锂提取比能耗为9.21 kWh·kg⁻¹ Li。由于AC电极的电容特性有效调节了电流，阳极侧副反应（产生H⁺）大于阴极侧副反应（产生OH⁻），促进了AC电极腔室中H⁺的积累，从而缓解了复杂离子溶液中因pH偏移引起Mg(OH)₂沉淀的风险。同时，由于CEM的电荷选择性排斥，卤水中未检测到铁氰化物泄漏。在1 V外加电压下，终端电极电位在电路切换中保持恒定（阳极约+0.45 V，阴极约−0.02 V），而AC电极电位在−0.55 V至+0.98 V之间切换，低电压操作使电极电位处于安全电化学窗口内，避免了水电解风险。
高镁锂比下的选择性机理。 系统利用“脱水能量惩罚”（dehydration energy penalty）框架实现卓越的锂镁选择性。MCEM的狭窄通道要求离子部分脱除水合壳层，Mg²⁺的脱水能垒（1830 kJ mol⁻¹）约为Li⁺（475 kJ mol⁻¹）的四倍，由此实现Mg²⁺的优先排斥。在进料镁锂比为40时，产物室中Li⁺浓度从初始20 mM逐渐上升至约55 mM，Mg²⁺仅突破0.7 mM，对应单电极RFD-ES的Li⁺/Mg²⁺选择性系数达354，产物纯度97.3%。随着进料镁锂比从1升至40，单个MCEM的单级选择性系数从3.03提高至34.17，但产物纯度从99.7%降至97.3%。复杂多离子共存体系中（Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺五种离子，56小时连续实验）单价离子优先于二价离子被富集，与二元体系趋势一致。
多电极堆叠与运行模式的影响。 在恒压模式下，多电极RFD-ES实现了2327的超高Li⁺/Mg²⁺选择性系数，约为单电极RFD-ES的6.5倍。Li⁺浓度从20 mM升至71 mM，但各AC电极电位因位置不同呈现显著差异（ACA为0.54 V/−0.58 V，ACC为1.10 V/−0.19 V），导致腔室间形成极端pH梯度：缓冲室I高达pH 10.69，产物室低至pH 2.59，增加了Mg(OH)₂沉淀风险和系统能耗。而在恒流模式下，总电荷在吸附和脱附阶段严格相等，各AC电极电位分布更为均匀，终端电极电位稳定在0.30 V（阳极）和0.21 V（阴极），接近可逆反应电位0.27 V。最重要的是，所有溶液通道的pH稳定维持在6–7的窄范围内，实现了“pH自稳定”机制，无需外加酸碱调节即可长期稳定运行。恒流模式下的选择性系数为1382，虽低于恒压模式，但pH稳定性和能耗优势使其更适合长期操作。
本研究提出并验证了一种新型的电化学离子分离系统（RFD-ES），用于从高镁锂比卤水中选择性高效提取锂离子。该系统将氧化还原液流脱盐框架与电吸附过程创新性地耦合，通过超短周期电路切换驱动AC电极实现快速离子吸附与解吸，克服了传统电吸附的容量限制，在1.0 V低操作电压下实现持续、伪连续的锂离子迁移和富集。结构上，AC电极的引入将堆叠内阻分割为独立区段，解决了多级RFD系统通量衰减的瓶颈。系统在1.0 V、6 s半周期下实现了约80%的电流效率和9.21 kWh·kg⁻¹的提锂比能耗。在镁锂比为40的模拟卤水中，单电极构型的Li⁺/Mg²⁺选择性达354，多电极堆叠下最高达2327（恒压模式）；恒流模式选择性为1382，且腔室pH稳定在6–7，有效抑制Mg(OH)₂沉淀。
本研究的科学价值在于提出了“离子中继”和“电阻分割”两个核心机制，从原理层面解决了电化学分离技术在扩展性和连续运行之间的根本矛盾。其应用价值在于为低品质盐湖卤水和海水提锂提供了一条高度可扩展、低能耗且环境友好的技术路径，模块化的堆叠设计有利于工程放大，为直接锂提取技术的实际部署提供了实验室尺度的可行性验证。
创新性系统架构： 将RFD与ES两种电化学分离路径有机耦合，以AC电极作为“离子中继”仿生模拟生物细胞膜的主动运输机制，属该领域的首创设计。超短周期电路切换策略： 6秒级的高频切换使AC电极超越了传统电吸附材料的有限容量约束，以“动力学超活跃”状态实现伪连续的单一方向离子泵送，避免了批处理中的“混合损失”。pH自稳定机制： 恒流操作模式下，系统各腔室pH稳定在6–7的窄范围内，从根源上抑制了Mg(OH)₂膜结垢问题，无需外部酸碱投加，大幅提升了系统在真实复杂卤水条件下的长期运行可靠性。卓越的锂镁选择性： 依托MCEM的脱水能量惩罚框架和动态电化学构型的协同作用，多电极堆叠实现了最高2327的选择性系数，代表了电化学提锂领域的领先水平。