三维碳纳米管海绵负载LiMn2O4复合电极实现高容量稳定电化学提锂

针对LiMn2O4(LMO)材料导电性差、稳定性低导致的电化学提锂效率瓶颈，研究人员开发了一种三维碳纳米管海绵(CS)负载LMO的复合电极(LMO@CS)。通过原位电化学阳极氧化和水热锂化技术，该电极实现了4.12 mmol g?1的锂吸附容量和87.8%的循环稳定性，Li+/Mg2+分离因子达76，为高效环保提锂提供了新方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，锂资源作为现代储能设备的核心战略物资，其高效提取技术成为研究热点。目前盐湖卤水虽占全球锂资源的70%，但其中高浓度Mg²⁺、Na⁺等干扰离子与低浓度Li⁺的共存，使得传统分离技术面临巨大挑战。电化学提锂技术因其环境友好、高效的特点崭露头角，其中尖晶石型LiMn₂O₄(LMO)材料因成本低廉、Li⁺扩散系数高成为理想电极材料。然而LMO本征导电性差、结构稳定性不足的缺陷，导致实际应用中存在能耗高、容量衰减快等问题，严重制约其工业化应用。

为解决这一难题，北京大学的研究团队创新性地设计了一种三维碳纳米管海绵(CS)支撑的LMO复合电极(LMO@CS)。该研究通过两步法工艺——先在CS基底上原位电化学氧化生长电解二氧化锰(EMD)，再经水热锂化转化为LMO，成功构建了具有Mn-O-C化学键合的稳定复合结构。相关成果发表在《Desalination》期刊，为高性能电化学提锂电极的开发提供了新思路。

关键技术方法包括：1)化学气相沉积(CVD)制备多壁碳纳米管(MWCNT)海绵基底；2)硝酸水热法赋予CS亲水性；3)恒电流阳极氧化在CS表面沉积EMD；4)水热反应实现EMD向LMO的转化；5)采用LMO@CS//Ag电池系统评估电化学性能；6)模拟卤水环境测试Li⁺分离选择性。

制备与表征
通过SEM观察到LMO@CS中纳米颗粒均匀分散在三维网络结构中，XRD证实成功合成尖晶石相LMO。拉曼光谱检测到1350 cm^?1(D带)和1580 cm^?1(G带)特征峰，证明CS基底保持完整石墨结构。XPS分析发现Mn 2p_3/2结合能位于642.2 eV，证实Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化态共存，且Mn-O-C键的形成增强了界面电子传导。

电化学性能
在1 M LiCl溶液中，LMO@CS电极展现4.12 mmol g^?1的锂吸附容量，较物理混合样品提升37%。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻仅11.6 Ω，归因于三维导电网络缩短了电子传输路径。恒电流间歇滴定技术(GITT)测算得Li⁺扩散系数为2.17×10^?10 cm² s^?1，比块体LMO提高两个数量级。

锂分离性能
在模拟卤水(Mg²⁺/Li⁺=40:1)中，LMO@CS//Ag系统经10次循环后，Li⁺/Mg²⁺分离因子达76，优于物理混合样品的28倍。动态吸附实验显示其对Li⁺的分配系数为0.47 L g^?1，而Na⁺、K⁺、Mg²⁺的分配系数均低于0.01 L g^?1，证实其优异的选择性。

循环稳定性
100次充放电循环后容量保持率达87.8%，每次循环能耗仅4.9 Wh mol^?1 Li⁺。原位XRD显示循环后仍保持完整尖晶石结构，SEM证实无颗粒团聚现象，归功于CS骨架的机械支撑作用和Mn-O-C键的稳定界面连接。

基底回收利用
采用柠檬酸处理失效电极，可溶解90%以上LMO并回收CS基底。再生电极经相同工艺处理后，其容量恢复至初始值的92.3%，证实该策略的可持续性。

该研究通过三维导电网络设计、界面化学键调控和无粘结剂结构创新，成功解决了LMO材料在电化学提锂中的关键瓶颈。LMO@CS电极的高容量、优异选择性和循环稳定性，使其在盐湖提锂领域展现出巨大应用潜力。特别值得注意的是，该工作提出的"氧化-还原"两步合成策略和基底回收方案，为其他电极材料的结构设计提供了普适性方法。未来通过优化CS孔隙结构和表面官能团，有望进一步提升电极性能，推动电化学提锂技术的工业化进程。