本研究由武汉大学动力与机械学院水力机械过渡过程教育部重点实验室的Qinpeng Zhu、Xuyu Yu、Yize Liu、Yifan Wang，以及武汉大学工业科学研究院的Peihua Yang和Kang Liu等人合作完成，其中Peihua Yang和Kang Liu为通讯作者。该研究成果于2023年12月21日在线发表于*Desalination*期刊，卷号为574，文献编号为117250。研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1202400）和国家自然科学基金（62161160311、51976141、22209124）的资助。

在全球锂需求持续增长的背景下，锂资源的可持续开发已成为能源与材料领域的重要议题。锂广泛应用于电池、陶瓷、玻璃和核工业，尤其随着电动汽车和便携电子设备市场的迅速扩张，锂的供需矛盾日益突出。传统的锂矿石开采不仅地理分布不均，而且资源逐渐枯竭，难以长期支撑产业发展。相较之下，含锂水相资源（包括盐湖水、海水和地热水等）占据全球锂储量的60%，具有更高的开发可持续性。然而，水相资源中的锂与大量碱金属和碱土金属离子共存，分离和提取难度极大。现有的太阳能蒸发和吸附等方法效率低下、锂产率有限，并会产生化学废弃物。因此，开发高效、环保、经济的电化学提锂技术具有重要的科学意义和应用价值。

电化学提锂因其优异的选择性、可逆的化学反应和较低的能耗，近年来受到广泛关注。然而，传统电化学提锂系统主要依赖固态电极，如LiMn₂O₄、LiFePO₄等材料体系。这些系统在大规模应用中面临诸多瓶颈：首先，固态电极中活性材料负载量有限，导致面积容量受到制约；其次，受多孔固态电极内部传质不足的影响，操作电流密度通常仅为0.3–0.5 mA cm⁻²；第三，由于固态电极无法同时从卤水中吸附Li⁺并向回收液中释放Li⁺，系统难以实现连续运行。针对上述挑战，本研究提出了基于LiFePO₄（LFP）流动电极的连续电化学提锂系统，旨在利用流体电极的固有流动性，解耦功率与能量密度，实现高面积容量和高效锂离子传质。

研究的工作流程主要包括流动电极的制备、静态电化学性能评估、动态提锂性能测试以及完整吸附-脱附循环验证。在电极制备方面，将碳黑（CB，Ketjen Black ECP-600JD）与LFP粉末在玛瑙研钵中研磨混合，随后加入水系电解液，经涡旋混合器以3000 rpm混合2分钟，再在1000 rpm下搅拌过夜，制得LFP悬浮电极。活性炭（AC，YP-50F）流动电极的制备方法类似。固态LFP电极作为对照，采用LFP、CB和聚偏二氟乙烯（PVDF）以8:1:1的质量比在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合，涂覆于有效面积为0.6 cm²的碳布上，活性材料负载量为14 mg cm⁻²，并在60 °C下干燥10小时。静态实验中，使用由丙烯酸端板、石墨纸、Ag/AgCl参比电极和LFP流动电极存储通道组成的电解池。流动吸附实验则采用包含阳极室、卤水室和阴极室的三室模块，各室均具有螺旋流道（宽2 mm、深3 mm），室间以隔膜和阴离子交换膜（AEM）分隔，石墨纸与LFP流动电极的有效接触面积为5.5 cm²。LFP和AC流动电极通过多通道蠕动泵同时泵入各自腔室，卤水通过独立的单通道蠕动泵输送，同时流动电极在磁力搅拌器上持续搅拌以防止颗粒聚集和沉降。在吸附-脱附完整循环中，吸附模块和脱附模块内的所有流体均保持6 ml min⁻¹的流速。卤水为模拟阿塔卡马盐湖卤水（含40 mmol L⁻¹ LiCl、786 mmol L⁻¹ NaCl、70 mmol L⁻¹ MgCl₂），回收液为100 mmol L⁻¹ KCl溶液。锂离子提取量、回收量、吸附/脱附电流效率和单位摩尔锂能耗分别由公式（1）至（5）计算。表征方面，利用旋转黏度计和应力控制流变仪测定电极黏度，采用Biologic SP-150恒电位仪以双电极模式测量电导率，电化学阻抗谱在开路电压下以10 mV振幅、100 mHz至100 kHz频率范围进行，离子浓度通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定。

在流变与静态电化学性能方面，固定LFP质量分数为5 wt%，CB质量分数从0.2 wt%增加至3 wt%时，悬浮液黏度逐渐增大，尤其是当CB含量从2 wt%增至3 wt%时，黏度从0.3 Pa·s迅速上升至1.3 Pa·s。该半固态电极还表现出剪切变稀行为，当剪切速率超过2 s⁻¹时，黏度降至0.07 Pa·s以下。当CB含量超过1 wt%时，导电逾渗网络形成，电导率达到0.2 mS cm⁻¹；CB含量为2 wt%时，电导率进一步提高至1.2 mS cm⁻¹，且静置一周无沉淀。循环伏安测试表明，LFP半固态电极在1 mol L⁻¹ LiCl和1 mol L⁻¹ NaCl中呈现明显的氧化还原峰，而在MgCl₂中无氧化还原峰，且钠嵌入的还原峰电位比锂更负，证明锂离子的优先选择性。在0.1 C倍率下，半固态电极放电容量接近120 mAh g⁻¹，0.2 C倍率下稳定容量约80 mAh g⁻¹，库仑效率接近100%，与固态LFP电极相当，说明流动状态未改变LFP的本征电化学行为。

动态提锂性能测试中，在不同流速下的电化学阻抗谱Nyquist图无明显变化，表明碳导电网络在流动剪切应力下保持稳定。流动模式下电极容量随流速增加而提高，最高容量达到149.5 mAh g⁻¹（13.6 mAh cm⁻²），远高于静态模式下的11.3 mAh g⁻¹（1.0 mAh cm⁻²），这是由于流动电极通过对流及时供给锂离子，缓解了浓差极化。在模拟阿塔卡马卤水中，流动电极可承受超过6 mA cm⁻²的提取电流密度，并在3 mA cm⁻²下容量达127.1 mAh g⁻¹，为固态电极（20.2 mAh g⁻¹）的六倍以上。当卤水稀释至2 mmol L⁻¹ Li⁺时，固态电极几乎无容量，而流动电极在0.2 mA cm⁻²下仍有80 mAh g⁻¹的容量。卤水流速增加可加速锂离子从卤水向LFP流动电极的传质，进一步提升系统容量。

在完整吸附-脱附循环中，吸附过程中LFP颗粒内锂含量在2.5小时内从3.5 mg/g持续上升至16.4 mg/g，而钠含量无明显变化，充分证明了LFP对锂离子的高选择性。脱附模块中解吸出的阳离子中，锂的纯度在所有电流密度下均保持在93%以上，最高达0.97。锂生产速率峰值达到1 mol m⁻² h⁻¹，电流密度为4 mA cm⁻²，高于已报道的固态电极体系。系统单位摩尔锂能耗在30至90 Wh范围内，随电流密度从2 mA cm⁻²增加至5 mA cm⁻²而变化，略高于固态电极，主要原因是流动电极电导率较低（1.2 mS cm⁻¹）以及AC对电极导致的高分压和极化。吸附效率在90%左右，而脱附效率低于80%，表明脱附模块存在阻抗限制，未来可通过优化碳黑网络、回收液和对电极进一步降低能耗。

本研究的核心结论是：基于LFP流动电极的连续电化学提锂系统能够有效克服传统固态电极在间歇运行、面积容量有限和传质受限等方面的困难。流动电极凭借均匀分散和充分的离子交换，显著增强了锂离子嵌入/脱出的动力学特性，实现了高容量、高纯度和高生产速率的提锂过程。该系统不仅简化了操作流程，而且为大规模、高速率的卤水提锂提供了可行的技术框架，展示了流动电极在选择性电化学回收体系中的广泛潜力。

本研究的亮点在于首次将流动电极概念引入电化学提锂领域，利用半固态电极的流体特性实现连续操作，并在低锂浓度卤水中仍保持较高的吸附容量和速率。此外，通过对比实验系统揭示了流动电极在强化传质和降低极化方面的优势，为后续工业规模提锂装置的设计提供了新的思路和实验依据。研究成果不仅在科学上深化了对流动电极电化学行为的理解，也为盐湖卤水、地热水乃至海水等低浓度锂资源的高效开发提供了具有实际应用前景的技术路线。