全球锂需求的激增对供应安全性和可持续性带来了日益严峻的挑战，然而海水中巨大的锂储量由于极低的Li⁺浓度和高水平的竞争离子仍然基本上未被开发。
2026年05月02日，南京大学周豪慎、何平团队在Nature Communications期刊发表题为“Energy-Efficient Seawater Lithium Extraction via a Reversible Redox-Hydrogen Coupled System”的研究论文，团队成员王义钢为论文第一作者，周豪慎、何平为论文共同通讯作者。
第一作者：王义钢
通讯作者：周豪慎、何平
通讯单位：南京大学
论文DOI：10.1038/s41467-026-72464-y
该研究提出了一种集成电化学系统，将直接从海水中提取锂与原位能量存储和氢气协同生产相结合。可逆Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原电极取代了传统的阳极海水电解，将原本会被浪费的电能储存起来，并通过Zn-NiOOH电池构型实现按需回收。同时，NiS₂/MoS₂催化剂降低了阴极析氢过电位，每提取一克锂可产生约807mL氢气。这种协同设计将净能耗降至6.40Wh g⁻¹Li，将海水从低品质卤水（0.183mg L⁻¹ Li⁺）升级为富锂溶液（306.2mg L⁻¹），并且在不添加额外试剂的情况下将Mg/Li比降低了七个数量级。该研究为实现可持续、将海水作为可行的高品位锂资源以保障未来能源安全开辟了一条实用路径。
受锂基电动汽车和储能系统快速扩张的推动，到2050年，全球锂需求预计将增长8到10倍。目前，锂主要从陆地上的硬岩矿石和盐湖卤水中提取；然而，这些储量中仅有约3000万吨被认为具有经济开采价值。此外，这些有限的资源地理上集中在少数几个国家，引发了对供应安全性和全球经济公平性的担忧。鉴于海水估计含有2300亿吨锂，开发有效的海水提锂方法对于应对未来潜在的短缺至关重要。
海水中的锂浓度极低，约为0.17mg L⁻¹，并且富含干扰离子，如Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺。因此，海水被认为是一种低品质卤水，从中提取锂仍然极具挑战性。使用锂离子筛膜的电化学锂提取是一种有前景的直接提取方法。在这种方法中，锂离子筛膜将海水（阳极室）与回收溶液（阴极室）隔开。电极浸没在每个室中并连接到外部电源。施加电场后，电极界面发生电化学反应，Li⁺选择性地从海水跨膜迁移到回收溶液中。进料溶液中的Mg²⁺和Ca²⁺被膜阻挡，Na⁺和K⁺的传输也受到阻碍。与传统的蒸发-沉淀、溶剂萃取、吸附和基于膜的分离等方法不同，这种电化学过程具有多个优点，包括锂的宽操作浓度范围、高分离效率以及相对简单的操作。
在该系统中，Li⁺与干扰离子分离的驱动力由电能提供。通过在两个电极上发生的氧化还原反应，电化学池中维持连续电流。通常，阳极反应涉及海水电解，产生氧气或氯气。在阴极侧，当使用有机电解质作为回收溶液时，锂离子被还原形成金属锂。如果改用含水回收溶液，阴极可能发生析氢。这种将海水提锂与同时产氢相结合是一个新颖且引人入胜的课题，目前仍未得到充分探索。海水中阴极析氢的潜力可以通过催化剂设计来调节，降低析氢过电位有助于降低整体电池电压和能耗。
另一方面，如前所述，在这种电化学提锂方法中，通过海水电解在阳极进行析氧或析氯会消耗额外的能量。然而，氧气或氯气的能量价值显著低于氢气，使得这种能量消耗效率低下。如果阳极消耗的能量能够被储存或利用，而不是浪费在海水电解中，那么海水提锂的整体能效将显著提高。
在此，该研究提出设计一种可逆氧化还原电极，以取代通常在电化学提锂系统中为维持连续电流流动所需的传统阳极海水电解反应。在提锂过程中，阳极处的活性材料经历可逆氧化还原转变——从还原态到氧化态——从而以化学能形式存储电能。这种储存的能量可以通过对电极放电来回收，在此过程中氧化态恢复为还原态。基于这一概念，研究人员开发了一个高效锂提取系统。如图1所示，电化学池的阳极室和阴极室均使用海水作为电解质：阳极室中的海水用作进料溶液，而阴极室中的海水用作回收溶液。两个室由锂离子筛膜隔开，该膜允许Li⁺通过离子跳跃机制穿过。在外加电场作用下，Li⁺选择性地从进料溶液迁移到回收溶液，在阴极侧富集并随后以Li₂CO₃形式沉淀出来以便提取。同时，阴极发生析氢反应并被收集，而上升的pH值使Mg²⁺等干扰金属离子沉淀。在阳极室中，Ni(OH)₂用作氧化还原活性材料，在操作过程中被氧化为NiOOH（对应步骤1）。该Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对可以通过与金属锌配对集成到Zn-NiOOH电池中，从而使储存的能量得以释放并重复使用（对应步骤2）。通过将海水电化学提锂与能量存储相结合，原本会在阳极海水电解中浪费的电能被高效回收和再利用。该方法显著提高了能源利用效率，并为优化电化学提锂技术提供了一种有前景的策略。
图1 | 用于海水提锂的通用策略示意图。两个室均使用海水作为电解质，由Li⁺选择性LAGP膜隔开。在步骤1中，外加电场驱动Li⁺从进料侧迁移到回收侧，在此处Li⁺以Li₂CO₃形式沉淀，同时NiS₂/MoS₂/Ni泡沫阴极上的H₂析出提高pH以去除Mg²⁺。与此同时，阳极处的Ni(OH)₂被氧化为NiOOH。在步骤2中，Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对与Zn配对形成Zn-NiOOH电池，其中NiOOH被还原，从而实现储存能量的回收。
图2 | 锂提取系统。a，锂提取系统的照片。b，图2a中所示电解槽结构的示意图。c，组装好的电解槽照片。蓝色箭头表示海水流入和流出阴极室（进料溶液）的方向，橙色箭头表示流入和流出阳极室（回收溶液）的方向。d，用于隔开阴极室和阳极室的LAGP膜。e，显示LAGP膜表面形貌的SEM图像。f，LAGP膜的XRD图谱。g，在锂提取过程中，不同电流密度下回收溶液中的Li⁺通量和Mg/Li比值变化，电解时长为2小时。
图3 | 从海水中获得高纯度Li₂CO₃。a，恒流锂提取过程的电化学曲线（电流密度：1mA cm⁻²；总提取容量：192mAh）。b，提取过程中回收溶液中Li和Mg浓度以及Mg/Li比值的演变。灰色线为误差线。c，最终Li₂CO₃产物的照片。d，Li₂CO₃产物的XRD图谱。e，0.1g Li₂CO₃产物中不同阳离子的质量。
图4 | 析氢效率与Ni(OH)₂/NiOOH的可逆转变。a，显示NiS₂/MoS₂、单一NiS₂或MoS₂析氢催化性能的LSV曲线。b，用于质谱测试的锂提取装置示意图。锌箔既用作参比电极以监测提取过程中Ni²⁺/Ni³⁺电位，也用作与NiOOH配对放电的对电极。c，析氢反应过程中的电极电位（蓝色）和析氢体积（红色）。d，锂提取过程中的电压曲线（红色虚线）。红色实线显示Ni²⁺→Ni³⁺电位（vs Zn/ZnO）；蓝色实线显示Zn-NiOOH电池的放电电压，对应Ni³⁺→Ni²⁺还原（vs Zn/ZnO）。e，显示Ni(OH)₂氧化和还原的拉曼光谱。f，使用锌金属和氧化的Ni(OH)₂点亮一串LED灯的Zn-NiOOH软包电池演示。
图5 | 可逆氧化还原-氢耦合系统用于从海水中分离锂的优势。a，锂提取过程中的电能传输路径。33.5%的电能用于锂提取，而剩余的电能储存在氢气和Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对中（66.5%）。b，本工作与已报道的不同锂提取系统之间Li⁺/Mg²⁺选择性(βLi⁺/Mg²⁺)的性能比较。
总之，该研究展示了一种可逆氧化还原-氢耦合系统，能够实现直接且节能的海水锂提取。通过在阳极集成可逆氧化还原电极Ni(OH)₂，该系统储存了传统海水电解过程中本会浪费在析氧和析氯上的电能。这种储存的能量可以通过Zn-NiOOH电池构型按需回收，显著提高了整体能源利用率。同时，阴极的NiS₂/MoS₂催化剂有效降低了析氢反应的过电位，减少了锂提取所需的净能量输入，同时产生氢气作为有价值的联产物并具有额外的储能潜力。得益于这种阴阳极联合设计，用于锂富集的直接净能耗大幅降低，在1 mA cm⁻²的电流密度下实现了低至6.40 Wh g⁻¹ Li的能耗。运行48小时后，回收溶液中的Mg/Li质量比从6615.4急剧下降至4.9×10⁻⁴，而锂浓度从0.183 mg L⁻¹增加到306.2 mg L⁻¹，将海水从低品质卤水升级为适合高效回收的富锂溶液。随后通过添加Na₂CO₃可以轻松沉淀出Li₂CO₃，最终产物纯度达到99.6 wt%。总体而言，该研究表明，可逆氧化还原阳极与高效析氢阴极的合理集成可以大幅降低锂提取的能源成本，同时联产氢气和有价值的副产物，为从海水中实现可持续和资源高效型的锂回收提供了一条颇具前景的途径。
