她叫刘巍，博士毕业于清华大学材料学院，在斯坦福做博后期间师从崔屹，目前在上海科技大学物质科学与技术学院担任助理教授。

▲图 | 刘巍（来源：刘巍）

近日，其担任通讯作者的论文发表在 Matter 上（IF 19.967）。研究中，她和团队研发出一种自驱动提锂非织造材料，旨在降低“盐湖/海水提锂”中的能源成本，为中国锂资源的稳定供给做出贡献。

若干年内，该团队有望实现这种不对称非织造复合材料（composite asymmetric nonwoven, CAN）的规模化生产。据悉，此次选用的钛酸锂颗粒主要用于锂离子电池的负极，而棉纤维层（亲水层）的制备方法与市面上的全棉柔巾相同，已经具备规模化制备能力。

同时，热压复合也已经是非常成熟的工艺。当下唯一制约 CAN 规模化生产的是静电纺工艺批量化制备微纳米纤维，不过目前也有大批量制备的静电纺丝设备、或者其他工艺。此外，刘巍也考虑与一些国内外的设备公司进行合作。

（来源：Matter）

助力中国锂资源的稳定供给

据介绍，在中国“碳达峰”和“碳中和”的宏大使命之下，作为 3C 电子、新能源汽车以及智能电网储能这些领域最不可或缺的元素，锂正在迅速成为一种战略性储备资源。

目前，中国全球最大的锂消费国之一。但是，国内的锂原料大量依赖于进口，而商业锂主要产自于陆地锂矿。锂矿资源主要分布在美国、澳大利亚和南美地区，这些地区为锂资源的稳定供给，带来了很大的挑战和不确定性。

海洋和盐湖卤水含有丰富的锂储量，中国四川盆地、湖北江汉盆地以及柴达木盆地等地区的盐湖卤水中含有丰富的锂。

目前，已存在多种从液态锂源（海水/盐湖卤水为原材料）进行锂提取的方法，例如沉淀法、煅烧浸取法、碳化法、纳滤膜法、溶剂萃取法和离子置换吸附法等。

其中，离子置换吸附法步骤简单、且应用最为广泛，它是以锂离子筛为媒介（一般为锰酸锂或钛酸锂颗粒），经过酸化脱锂的锂离子筛在碱性含锂水溶液中吸附 Li+，再放置到酸性环境中把 Li+ 被洗出来，最后经干燥获得锂盐。

（来源：Matter）

然而，离子置换吸附法仍存在一些痛点：由于 Li+ 的吸附和脱附须在强酸强碱的环境下进行，传统的离子筛膜往往通过将离子筛颗粒与耐酸碱的聚合物共混制膜，亲水聚合物普遍存在不耐酸碱的问题。

而耐酸碱的聚合物多为疏水材料，其界面难以润湿导致溶液无法渗透，需要额外的压力作为驱动力才能实现液态锂源的穿透。因此在提锂过程中，传统锂离子筛膜会造成额外的能耗。

从改善传统离子筛膜渗透性差的角度出发，该团队在离子筛膜的研究中引入了“定向导水”技术。“定向导水”是指水在特定结构的物质中，液体沿特定方向自主流动/渗透，其广泛存在于自然界的生物和物理现象中，例如细胞膜液体交换、植物从土壤吸收水分等。

而此次工作希望将“定向导水”与“离子置换吸附法”相结合，最终在无需任何外部驱动力的情况下实现 Li+ 的提取，借此有望降低提锂工艺中的能源成本，让“盐湖/海水提锂”的过程更加低碳和环保。

近日，相关论文以《定向液体输送非织造布自驱动锂提取》（Self-driven lithium extraction by directional liquid transport nonwoven）为题发表在 Matter 上 [1]，上海科技大学物质学院陈鑫博士为论文第一作者，刘巍论文唯一通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Matter）

对于具有定向水渗透功能的不对称非织造复合材料，审稿人和期刊编辑均给予正面评价，同时也对“定向导水”技术很感兴趣，并让刘巍团队从导水机理上进行了更加详细的解释和补充。

在这项工作中，课题组主要利用液滴自身重力与亲水/疏水界面的毛细管压力差（ΔP），引导液体完成自主渗透。

同时，与现有提锂研究（电渗析法、纳滤法等）进行对比，结果发现 CAN 的提锂能耗比（提取 1mgLi+ 离子所需要消耗的能量）具有明显的优势，这说明该工作非常符合现有“低碳环保”的理念。最后经过修改，论文得以顺利发表。

（来源：Matter）

制备方法从未被报道，正在申请专利

刘巍坦言，由于课题组之前没有“离子置换吸附法”的研究经验，研究前期耗费了不少精力，也走了一些弯路。

其中，用于吸附法有两大类离子筛，分别为锰系离子筛和钛系离子筛。针对这两大类离子筛，该团队均做以尝试和系统性研究。

最后发现，由于钛系离子筛（钛酸锂）吸附速率快，更符合这项研究。后来，他们还通过探索钛酸锂颗粒在含锂碱性水溶液中 Li+ 吸附性能，以便给后续实验提供参数指导。

其次是定向导水非织造材料的制备，这块的难度更大。团队中的陈鑫博士（第一作者），在非织造材料具有丰富的研究经验，为完成这部分提供了有利的保证。

在制备常规的定向导水材料时，要求材料的两面具有润湿性差异，通常采用在疏水材料表面上进行亲水涂层或等离子体处理。

但是，这类处理方式对时效性要求高，材料很快就会失去定向自主渗透的功能。而这项研究又必须考虑材料的耐久性，以便让材料在经过多次使用后，依然具有定向自主渗透的功能。

考虑再三，他们选择了天然亲水的棉纤维和天然疏水的 PVDF（polyvinylidene difluoride，聚偏二氟乙烯），来作为提锂非织造材料的原材料，并利用纤维本体材质的亲水/疏水性，构建永久定向自主渗透功能。

最后一个研究阶段是将锂离子筛颗粒与非织造材料进行复合，在无需任何外部驱动力的情况下实现了 Li+ 的提取。

（来源：Matter）

也是在这一阶段，考虑到离子筛颗粒接近微纳米尺度，为了让颗粒能够暴露在材料表面，刘巍等人通过静电纺丝的方法，来制备表面含有锂离子筛颗粒的 PVDF 微纳米纤维（疏水层），借此保证颗粒不会被聚合物包埋、且能够有足够的吸附位点进行 Li+ 吸脱附。

接着，便是和全棉水刺非织造材料（亲水层）进行热压复合，再通过优化亲水层和疏水层的厚度，最终完成了 CAN 的制备。

另据悉，由于聚偏二氟乙烯是热塑性聚合物，而棉纤维是天然纤维没有熔点。通过控制热压工艺的温度，使得聚偏二氟乙烯纤维局部发生热熔，与全棉水刺亲水层发生热粘合。

而 CAN 形成的双层纤网的粘合是一种物理方式，且是在双层结构没有被破坏的前提下进行。因此，无论 CAN 在空气放置多久，这种定向自主水渗透功能都不会失效。

刘巍对此表示：“在这里我们想特别说明一下，CAN 的设计和制备方法目前是从未被报道的，相关专利也在申请中。”

（来源：Matter）

她还说道：“这项研究就很让人难忘，可以看一下论文的补充材料（Video S1），所制备的 CAN 能让水从一面穿透，而翻过来以后却无法穿透。当论文一作陈鑫博士展示这个视频的时候，我觉得非常有趣，材料竟然可以调控水流的方向。”

另外，这项研究从设计到完成，涉及到不同学科的交叉合作，例如无机化学和纺织领域的结合。刘巍比较熟悉锂电池的设计与应用，陈鑫则具有坚实的非织造材料的背景。而东华大学的黄晨教授，则帮忙提供了非织造材料的加工技术与相关设备。

在后续计划上，除了上述提到计划实现 CAN 的规模化生产外，刘巍还希望研究一些高 Li+ 吸附容量的离子筛颗粒，这样就能在相同添加量的情况下，大幅提高单位面积内的 Li+ 吸附容量，从而更大幅度地提升提锂效率。

此外，她还计划展开在废弃的锂离子电池中进行 Li+ 提取的工作。目前，中国连续五年成全球最大锂电池消费市场，必然会面临处理大量废旧锂电池的问题。

如果这些锂电池中的锂，无法得到回收和再利用，直接与城乡生活垃圾进行填埋，势必会造成二次污染以及巨大的锂资源浪费。因此，除了开展海水和盐湖卤水中提取锂元素，刘巍和团队迫切希望对废旧锂电池回收锂的相关工作进行研究。

参考资料：

1.Chen, X., Wu, C., Lv, Y., Zhang, C., Zhang, X., Nie, L., ... & Liu, W. (2022). Self-driven lithium extraction by directional liquid transport nonwoven. Matter.