基于双极膜耦合选择性电渗析技术的退役锂电池锂镍分离抗垢机制研究

针对选择性电渗析(SED)过程中阳离子交换膜(CEM)表面严重结垢问题，本研究创新性地将双极膜(BPM)与单价/多价阳离子选择性膜耦合，通过BPM原位生成的H+调控边界层pH值，有效抑制了Li+-Ni2+分离过程中的浓度极化和水解反应。实验表明BM-CSO系统使Li+回收率从48.2%提升至79.7%，Ni2+回收率从83.3%增至94.0%，为退役锂电池大规模回收提供了突破性解决方案。

　　

随着新能源汽车产业爆发式增长，退役锂离子电池(LIBs)回收已成为全球性课题。这些"城市矿山"富含锂、镍、钴等高价值金属，但传统湿法冶金存在酸碱消耗大、分离效率低等问题。选择性电渗析(SED)技术虽能实现Li⁺与Ni²⁺/Co²⁺的绿色分离，却长期受困于阳离子交换膜(CEM)表面金属氢氧化物结垢难题——结垢不仅增加膜电阻、降低离子交换容量(IEC)，更使锂回收率长期徘徊在50%左右。

杭州某研究团队在《Desalination》发表的研究中，首次揭示了电渗析(ED)过程中"浓度极化-边界层耗尽-水解致垢"的级联反应机制。通过耦合双极膜(BPM)与单价选择性膜(CSO)，创新开发出BM-CSO系统，使锂回收率突破性提升至79.7%。该研究不仅破解了工业化应用中的结垢瓶颈，更开创了"以H⁺调控边界层化学环境"的主动抗垢新策略。

关键技术包括：1)构建BM-CSO膜堆考察Li⁺/Ni²⁺分离性能；2)通过极限电流密度(LCD)测试分析浓度极化；3)采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征膜表面沉淀物；4)对比传统CSO与BM-CSO系统的金属回收率差异。

【Separation experiments using CSO-A membrane stack】
传统CSO膜堆在0.6A电流下即出现严重极化，Li⁺回收率仅48.2%。边界层Li⁺耗尽引发水分子水解，产生的OH^-使局部pH>9，导致Ni(OH)₂等沉淀在膜表面。

【BM-CSO membrane stack for Li⁺ recovery】
BPM在电场作用下解离水产生H⁺，这些质子通过CSO膜进入边界层，形成"质子竞争效应"：既中和OH^-抑制沉淀，又降低Li⁺浓度梯度。该系统在1.4A高电流下仍保持稳定运行，LCD值提升133%。

【Conclusion】
研究证实BM-CSO系统通过三重机制协同抗垢：1)H⁺中和边界层OH^-，阻止Ni²⁺水解；2)降低Li⁺传输阻力，提升LCD阈值；3)质子化膜表面抑制金属吸附。该技术使工业级高浓度料液(0.1M Li⁺)处理成为可能，为动力电池回收提供了兼具高效益与低碳足迹的分离方案。

该成果的突破性在于将BPM的"动态pH调控"特性创造性应用于SED领域，颠覆了传统通过降低电流密度或稀释料液的被动抗垢思路。作者Liang Guo等提出的边界层质子化理论，为开发新一代离子选择性膜提供了全新设计维度。