太原理工大学王美玲教授Small:光热提锂“一体/非一体”体系设计

随着电动汽车与电网储能的爆发式增长，全球锂资源需求持续攀升。海水与盐湖卤水中的锂储量虽极为丰富，但极低的浓度与复杂的离子环境对锂提取技术提出了严峻挑战。近年来，利用太阳能光热蒸发驱动锂离子富集与提取的新兴技术，因其清洁、低碳、近零能耗的特点而备受瞩目。然而，如何高效耦合光热单元与提锂单元，实现协同增效，是光热锂提取技术走向实用的关键。

近期，太原理工大学王美玲教授在Small期刊发表了题为“A Review on System Design for Photothermal Lithium Extraction”的综述论文。该综述首次从体系设计的角度，依据光热单元与锂提取单元的空间耦合方式，将现有体系明确定义为“一体体系”（两功能单元整合于同一基质）与“非一体体系”（两功能单元分别位于独立基质）。围绕这一分类框架，文章系统总结了一体体系与非一体体系的设计策略、增强机制与适用场景，涵盖了光热-吸附、光热-膜分离、光热-分离结晶三大技术路径。该综述为光热锂提取领域提供了系统的分类框架与未来方向，对推动太阳能驱动的可持续锂资源开发具有重要指导意义。

该综述系统梳理了光热提锂体系在一体与非一体两大设计范式下的研究进展。一体体系将光热单元与锂提取单元整合于同一基质中，其特点是结构紧凑、热传递路径短、热损失小，能够实现原位热增强吸附或结晶。作者指出，一体光热-分离结晶体系通过纵向或横向的基质结构调控，成功实现了Li/Na的定向传输与空间分离，部分设计可使Li/Na质量比提升两个数量级以上。一体光热-锂离子筛吸附体系则通过将吸附材料与光热材料整合于同一基质，显著提升了吸附动力学与容量，同时引入自清洁与淡水联产功能，实现了低水足迹的可持续运行。非一体体系则将两功能单元分别置于独立基质中，通过空间分区实现灵活调控。其特点是各模块可独立优化，光热层侧重宽谱吸收与热局域，锂提取层专注选择性与容量，并通过亲疏水界面设计、盐结晶定向管理等策略强化协同。非一体光热-锂离子筛吸附体系凭借功能模块的空间分区进一步优化了热质协同：核壳、Janus及垂直交替等结构设计使得亲疏水界面可控、盐结晶定向管理，锂吸附容量与离子选择性均有显著提升；非一体光热-膜分离体系通过调控光热层的微观结构来管理锂盐的结晶位置，既可让LiCl结晶于光热层表面，也可将其存储在光热层的多孔内部，还可通过引入独立的储锂中间层避免光热层堵塞。多种设计均有效抑制了盐结晶对光热转换效率的负面影响，实现了长达数百小时的稳定运行与多级串联高选择性分离。整体而言，光热提锂技术已在选择性、提取速率、循环稳定性及资源综合利用方面展现出明显优势。

本文的核心创新点主要体现在两个方面。第一，首次对光热提锂体系进行了明确的分类与定义，根据光热单元与锂提取单元的空间构型及耦合方式，将其划分为一体体系（两功能单元整合于同一基质）与非一体体系（两功能单元分别位于独立基质）。第二，在此分类基础上，系统地揭示了每一类体系中两功能单元之间的协同作用机制。在一体体系中，光热单元与锂提取单元通过同一基质内的紧密耦合实现直接热传递，从而原位增强锂提取的动力学过程；在非一体体系中，两功能单元通过空间分区实现独立优化，并借助亲疏水界面设计、盐结晶定向管理、储锂中间层引入等策略进一步增强协同效果。这一定义与机制分析，为光热提锂技术的体系设计提供了一个清晰的分析框架。

图1、光热锂提取体系示意图及未来发展方向。定义并提出了一体和非一体的光热锂提取体系。展示了三种结合光热界面蒸发的锂提取策略。提出了四个发展方向：1)调控一体体系中LIS的内在结构；2)优化界面以加强非一体体系中功能单元之间的协同；3)设计昼夜连续运行的蓄热系统；4)解决受控实验室性能与工业可扩展性之间的根本差距。

图2、锂提取技术演变的示意图：(a) 机械驱动的物理化学过程；(b) 电驱动过程；(c) 光热驱动过程。

图3、一体与非一体光热锂提取体系的示意图。(a) 一体体系：光热单元与锂提取单元整合于同一基质中。(b) 非一体体系：光热单元与锂提取单元分别位于不同的基质中。

图4、一体体系中(a)光热分离结晶与(b)光热-锂离子筛吸附的示意图。

图5、非一体光热-离子筛吸附法提取锂的示意图。(a)核壳分层结构；(b)上下分层结构；(c)垂直交替堆叠结构。

图6、非一体光热-膜分离法提取锂的示意图。(a)锂盐在光热层表面结晶；(b)锂盐在光热层内部结晶；(c)锂盐位于中间储存层中。

该综述对光热提锂体系设计的系统性梳理，为后续研究带来了如下启示。第一，一体体系与非一体体系各具优势：一体体系结构紧凑、热损失小，有利于提高热利用效率；非一体体系模块化程度高、各单元可独立优化，更易于适应性调控。实际应用中应根据具体情况与性能需求合理选择两种体系。然而，无论哪种体系，长期运行稳定性和连续操作能力仍是当前的主要瓶颈。展望未来，一方面需从材料本征性能入手，通过离子掺杂等策略直接提升锂离子筛（LIS）的光热转换效率与结构稳定性，从而简化一体体系设计；另一方面，对于非一体体系，应借助3D打印、仿生组装等先进技术优化光热层与锂提取层之间的界面结合，减少热质传递损失。此外，为突破光热提锂“昼夜间歇”的固有局限，亟需开发兼具光热转换与热能存储的双功能材料，实现昼夜连续运行。目前虽已有小规模阵列和户外测试验证了技术可行性，但真实卤水中有机物、悬浮物和微生物对系统的长期影响尚未被充分评估，标准化的技术经济评估体系也亟待建立。从实验室性能到工业规模化，仍需在系统生命周期、锂回收率、全链条成本等核心指标上开展系统性的工程验证。