《Desalination》：Advances in capacitive deionization for selective lithium recovery from brines: Mechanisms, strategies, and future perspectives
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电容去离子（CDI）技术通过低电压电场吸附或嵌入锂离子，在海水、地热卤水等低浓度锂溶液中提取锂具有高效节能优势，重点研究电极结构设计、表面改性、材料复合及机器学习辅助优化四大方向，为规模化锂回收提供技术框架。
韩伟宇|谢鲁布·普恩措|盖亚特里·奈杜|莫赫森·阿斯卡里|何京顺
悉尼科技大学工程与信息技术学院土木与环境工程系，水与废水技术中心，循环经济中营养物质的ARC研究基地，邮政信箱123，百老汇，新南威尔士州2007，澳大利亚
摘要
随着电动汽车和储能系统的普及，全球对锂的需求不断增长，这促使人们寻求高效且可持续的提取技术。电容去离子化（CDI）作为一种电化学方法，正逐渐成为从多种水溶液中回收锂的有效手段，这些水溶液包括低品位盐水、地热水和工业废水。通过施加低电压电场，CDI能够通过电吸附将锂离子捕获到多孔电极上，或者通过插层作用将其引入氧化还原活性材料中。与传统分离技术相比，CDI具有能耗低、操作条件温和、吸附速度快以及模块化设计可扩展等显著优势。本文系统总结了基于CDI的锂提取技术的最新进展，重点探讨了研究方法。关键研究策略分为四个领域：电极结构工程、表面与界面改性、先进材料集成以及机器学习和模拟。文章还讨论了在不同来源溶液中的应用，并概述了吸附容量、选择性、能耗和循环稳定性等标准性能指标。最后，本文指出了亟待解决的问题，并提出了未来的研究方向，强调多功能电极设计、可扩展制造以及数据驱动的材料发现。
引言
全球向可再生能源、电动汽车（EV）和便携式电子产品的转型极大地增加了对锂的需求，而锂是锂离子电池的关键成分[1]。根据最新预测，由于减排目标的推动和电池市场的扩张，全球锂的需求可能早在2030年就会超过供应[2]。虽然传统锂资源如伟晶岩和高品位盐湖仍主导着全球生产，但它们在地理分布上具有局限性，且开发成本高昂，同时对环境也有负面影响[3]、[4]、[5]。因此，开发海水和低品位盐水等替代锂资源受到了广泛关注[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。
然而，从这些稀释且复杂的水溶液中回收锂面临重大的技术和经济挑战。例如，海水中锂的浓度约为0.2 mg/L，许多地热水中的锂浓度低于100 mg/L，同时存在Na+、Mg2+、K+和Ca2+等竞争性离子，其浓度远高于锂，这些离子的存在限制了沉淀、溶剂萃取和膜过滤等传统分离方法的效果[1]、[9]、[13]。因此，需要开发高选择性、低能耗且可再生的锂提取技术。
近年来，电容去离子化（CDI）作为一种有前景的电化学技术逐渐崭露头角[14]。CDI在低电压下运行，通过电吸附将锂离子从水中去除或通过插层作用将其引入氧化还原活性材料中[14]、[15]、[16]。与传统分离技术相比，CDI具有能耗低、操作条件温和、吸附和解吸速度快、材料可再生以及模块化设计可扩展等优点[17]、[18]、[19]。尽管在过去十年中取得了显著进展，但CDI在实现高选择性和可扩展性方面仍面临挑战。传统的CDI电极通常基于活性炭，缺乏天然的锂选择性[20]。为了解决这些问题，最近的研究探索了多种电极工程策略，包括表面和界面改性、功能材料集成以及基于理论的材料筛选。
多项近期综述总结了从水溶液中提取锂的技术，包括基于膜的方法、吸附方法和电化学方法，其中CDI通常被列为新兴技术之一[11]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。其他综述则重点关注CDI技术本身，涉及电极材料、系统配置和水处理应用[27]、[28]、[29]、[30]。然而，关于CDI在锂提取中的具体应用研究相对较少。随着近年来基于CDI的锂提取研究的快速发展，相关文献在材料设计、系统配置、进料组成和评估指标方面变得越来越分散。因此，需要一篇有针对性的综述来整合最新进展，为这一新兴研究方向提供清晰的框架。本文旨在系统地回顾基于CDI从盐水和其他水溶液中提取锂的最新进展，并提供研究方法方面的指导。
CDI的基本原理及扩展系统
CDI是一种新兴的电化学分离技术，利用低电压电场从盐水中去除带电粒子，越来越被认为是从低品位盐水中回收锂的有效方法[15]、[22]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。该技术最初由Blair和Murphy在1960年提出，“CDI”这一术语由Farmer等人于1996年首次使用[36]。CDI在低电压（通常≤1.5 V）下运行，通过电场作用分离阳离子
提高CDI系统中锂回收率的策略
尽管CDI为锂提取提供了一个技术简单且节能的平台，但其实际应用仍面临一些挑战，尤其是在存在竞争性离子的情况下锂的选择性较低，以及电极材料在多次循环使用后会发生降解。为了解决这些问题，研究人员开发了多种策略，涉及材料设计、电极结构、界面化学和系统级优化等方面
基于CDI的锂提取中的来源溶液与性能评估
虽然针对锂提取的CDI技术研究已成为一个热门课题，但进料溶液选择和性能评估方法缺乏标准化，这成为跨研究比较、材料评估和工业应用转化的主要障碍。研究人员使用的进料组成多样，从简化的LiCl溶液到复杂的天然盐水都有，同时评估性能的指标也不一致，这使得公平比较变得困难
面临的挑战
尽管基于CDI的锂提取技术取得了显著进展，但在将其从实验室规模研究转化为实际应用之前仍存在若干挑战。其中一个主要挑战是开发出兼具高锂选择性、快速离子传输动力学和长期循环稳定性的电极材料。虽然各种锂离子筛分剂、氧化还原活性材料、MOF衍生结构和碳基复合材料都展示了良好的潜力
结论
CDI已成为从低品位和成分复杂的水溶液中回收锂的有前景的技术。与传统提取方法相比，CDI具有能耗低、操作条件温和以及电极可再生等优点。最近在电极材料、结构工程和系统配置方面的进展显著提高了锂的吸附容量和选择性。随着CDI技术的持续发展，锂提取效果将进一步改善
作者贡献声明
韩伟宇：概念构思、数据整理、数据分析、方法论研究、初稿撰写。谢鲁布·普恩措：概念构思、数据分析、项目管理、资源协调、监督、验证、审稿与编辑。盖亚特里·奈杜：数据分析、资金申请、项目管理、审稿与编辑。莫赫森·阿斯卡里：数据分析、审稿与编辑。何京顺：概念构思、数据整理、数据分析、资金协调
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。何京顺教授担任《Desalination》期刊的联合主编，而本手稿的编辑和处理工作由另一位编辑负责。
致谢
我们感谢澳大利亚研究委员会（ARC）发现项目（DP230100238）的财政支持。
