综述：直接提锂方法综述：近期进展与展望

《Batteries》：Review of Direct Lithium Extraction Methods: Recent Advances and Outlook Olukayode Fatoki, Santosh Kumar Parupelli, Manpreet Kaur, Alex Mathew, Amir Rehmat and Salil Desai

　　

锂离子电池（LIBs）凭借高比能量、长循环寿命与优异效率，已成为主流储能技术。传统提锂工艺存在能耗高、周期长的缺陷，直接提锂（DLE）方法则提供了更具可持续性与效率的替代路径。本综述系统梳理了锂离子电池相关资源及直接提锂技术体系，详细论述了吸附法、离子交换法、溶剂萃取法、膜分离法与电化学系统五类核心DLE工艺，并从技术就绪水平（TRL）与商业化潜力维度，对DLE技术的近期进展进行了综合分析。同时，系统阐述了各类DLE方法的优势与技术挑战，最后展望了人工智能在DLE工艺优化中的应用前景。本研究旨在深入解析DLE方法的局限性与发展机遇，为面向锂离子电池技术突破的未来研究提供系统性参考。

1. 引言

锂（Li）作为关键战略矿产，因其轻质、高反应活性与电化学稳定性，在现代电网级储能与电子器件领域占据核心地位，具备高能量密度、稳定嵌脱性能、小离子半径等显著优势。全球能源转型推动低碳技术发展，锂需求持续攀升，但锂资源分布极不均衡，主要集中于南美“锂三角”与澳大利亚，澳大利亚、中国、智利、阿根廷四国产量占全球总供应量的90%以上。当前锂离子电池消费占全球锂消费总量的85%，2025年全球锂需求量预计达约0.205 Mt，至2050年将增长至1.16 Mt。需求的快速增长暴露了传统提锂工艺在生产周期、成本与环境效应上的多重约束，叠加地缘集中带来的供应链风险，亟需推动资源类型多元化与提取技术创新。

锂供应链主要依托硬岩与卤水两类地质资源：按产量计，硬岩矿贡献60%，卤水占35%；按资源储量计，卤水占比达60%，黏土矿占25%，硬岩矿仅占15%。硬岩开采虽为当前主流生产方式，但存在锂回收率中等、运营成本高、环境扰动大的短板；卤水蒸发法则面临生产周期长达12–24个月、回收率低、土地与水耗巨大的问题。直接提锂（DLE）作为一种新兴技术，可从富锂卤水中选择性提取锂离子并将贫卤水回注含水层。针对硬岩矿（伟晶岩），需经采矿、选矿富集后通过高温焙烧活化，再经化学浸出提取锂；针对盐湖卤水，传统工艺依赖泵抽卤水与太阳能蒸发，而现代DLE技术可替代或补充蒸发环节以提升经济性；针对非常规卤水（海水、反渗透浓水、地热卤水、沉积盆地卤水等），则直接采用吸附、离子交换、溶剂萃取、膜分离与电化学系统等DLE工艺实现提锂。三类资源经不同路径最终均转化为碳酸锂（Li₂CO₃）或氢氧化锂（LiOH）。与传统间接提锂相比，DLE融合了硬岩提锂的速度与卤水提锂的低运营成本优势，具备小时/天级提取周期、低水耗、80–95%的高回收率、约1.5吨/吨碳酸锂当量（t LCE）的低碳排放、不受气候影响与小环境足迹等特征，显著优于间接法数月至年的周期、高水耗、20–40%的低回收率与约11 t LCE的高碳排放。DLE的核心优势体现为选择性提取、数周内的短上市周期、水土资源低占用、高回收效率、低碳足迹与良好的可扩展性。

2. 传统锂资源

锂资源按矿床类型可分为硬岩（伟晶岩）、卤水沉积与沉积型矿床三类。

2.1 硬岩矿床（伟晶岩）

硬岩锂资源以锂辉石、锂云母、透锂长石等火成伟晶岩矿石为主，Li₂O品位通常为1–2%，开采流程包括露天开采、破碎磨矿、浮选富集与热转化，属于成熟的高品位传统资源。其中锂辉石（LiAlSi₂O₆）是当前全球锂产量的主要来源，澳大利亚拥有全球最大的锂辉石储量（超6 Mt），矿石品位介于1–2.5% Li之间，加拿大、欧洲、非洲与中国亦有重要矿床分布。该类资源需经高能耗的开采、破碎与热转化流程，推高了成本与环境负荷，近期研究正探索从硬岩废物流中回收锂的循环路径以降低环境负担。

2.2 锂卤水沉积

卤水锂资源指地下含水层中的富锂高盐水，锂以溶解态Li⁺形式存在，浓度跨度大：传统盐湖卤水为200–1500 mg/L，油田卤水为30–500 mg/L，地热卤水为10–200 mg/L，海水与工业卤水仅含痕量锂，构成非常规卤水。卤水因流体特性与溶解态锂含量，成为DLE的主要液相原料。锂卤水主要赋存于封闭盆地盐湖、地热系统与深层沉积/油田地层中，经长期蒸发、水岩相互作用与地热循环富集，Li⁺浓度可达200–4000 mg/L，受盆地水文地质异质性影响波动显著，南美“锂三角”（阿根廷、玻利维亚、智利）集中了全球近60%的已知卤水资源，中国与美国的克莱顿谷亦有大型卤水田。传统卤水提锂依赖太阳能蒸发池，需数月到数年完成浓缩，期间需多步除钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）等杂质，虽成本低但周期长、受气候制约、土地与水耗大。沉积型黏土锂矿形成于湖相环境，由火山灰风化释放的锂赋存于锂皂石、高岭石、伊利石等黏土矿物中，品位为0.1–0.4 wt%（1000–4000 ppm），低于伟晶岩但高于卤水，占全球锂资源的7%。传统酸浸、水热处理与碱法浸出工艺存在试剂消耗高、能耗大、固废多的缺陷，美国麦克德米特火山口、墨西哥索诺拉与中国云南等地虽有重要矿床，但杂质管控、热工能耗、固废处理与试剂成本等问题仍待解决以实现商业化。

3. 非常规锂资源

非常规锂资源涵盖沉积/油田卤水、地热卤水与海水/反渗透浓水，因化学性质复杂、温度高或浓度极低，难以用传统蒸发池处理，天然适配DLE技术实现选择性回收。地热卤水温度高、盐度高，锂浓度为10–480 mg/L，含高浓度硼、二价阳离子与二氧化硅，易引发沉淀干扰，美国索尔顿海与德国上莱茵河谷等地已有离子交换吸附剂、电嵌脱与电化学-膜工艺的中试验证，且可实现贫卤水闭环回注，兼具可再生能源发电的协同效益。油田卤水（采出水）是油气开采副产物，锂浓度为30–500 mg/L，含烃类、溶解性有机物与结垢离子（铁、钡、锶等），需深度预处理，但具备产量巨大（全球日产超千万桶）与基础设施完备的优势，多家企业已通过DLE技术实现90%以上的提取效率，降低资本强度与水耗。海水虽蕴藏约2300亿吨锂，但浓度仅约0.17 mg/L，且存在钙、钠、镁等离子竞争，直接提取难度极大，目前研究聚焦于电化学膜与吸附型DLE系统，目标从海水或海水淡化反渗透浓水中捕获锂，但选择性、能耗与经济规模化仍是商业化瓶颈。

4. 直接提锂（DLE）

DLE技术突破了传统蒸发池占地大、周期长的限制，可在小时级时间内实现锂离子层面的选择性分离，并将大部分卤水回注储层，有效规避镁、钙、硼、硅等杂质的干扰，锂回收率可达80–95%，同时降低试剂消耗与固废产生。DLE按分离机制分为吸附法、离子交换法、溶剂萃取法、膜分离法与电化学法五类，前三者为化学亲和力驱动，膜分离为物理传输驱动，电化学法为能量驱动。

4.1 吸附法DLE

作为最早且中试最广泛的DLE工艺，其原理是通过离子交换或表面吸附将锂离子捕获于固相载体，再经洗脱获得富锂溶液，吸附材料涵盖有机、无机及近年发展的有机-无机杂化材料。早期有机吸附树脂（磺化聚苯乙烯/二乙烯基苯）因锂的高水合能与小离子半径导致对镁、钙的选择性极差而无法实用；冠醚类材料虽在低盐水体系中提升了锂/钠、锂/镁分离效果，但容量低于10 mg Li g^?1，且受温度、pH与二价阳离子干扰，在高总溶解固体卤水中性能衰减严重。后续转向λ-MnO₂、Li₂TiO₃等无机相与聚合物结合的杂化吸附剂，解决了机械强度、抗磨损性与柱操作兼容性问题，多孔聚丙烯腈（PAN）负载晶格膨胀λ-MnO₂在模拟卤水中吸附容量达49.0 mg g^?1。近年涌现共价有机框架膜、冠醚修饰有机框架、生物聚合物（壳聚糖、海藻酸盐、木质素衍生材料）、功能化聚合物与杂化吸附剂等创新材料，通过尺寸筛分与配位化学提升选择性。

4.2 离子交换法DLE

无机分子筛离子交换吸附剂（锂筛）是该类技术的核心，包括锰基、钛基与铝基氢氧化物，可在高盐卤水中实现高锂选择性与吸附容量，同时排斥镁、钙等多价阳离子。早期锰基锂筛存在酸性溶损、结构降解与动力学慢的缺陷，后续通过惰性氧化物包覆、嵌入无机基质与颗粒增强技术提升了稳定性，纺锤形空心结构锰基变体实现了95%的锂回收率与极低锰溶损。钛基氧化物（TiOx）因优于锰基的酸稳定性与可调晶格通道被广泛研究，通过纳米棒/纳米片形貌调控、SiO₂/Al₂O₃涂层改性、聚合物/陶瓷基质复合与离子掺杂（镁、铝、铁等）优化，提升了活性位点密度与晶格稳定性，已在中国的卤水项目中实现中试商业化应用。铝基氢氧化物吸附剂适用于高镁锂比、含氯硫的地热卤水，具备中性pH兼容、水洗脱附、无锰溶损的优势，但存在淡水消耗大与粉化严重的短板，正通过基质嵌入与杂化技术延长连续流系统中的循环寿命。Lilac Solutions开发的第四代离子交换介质（Gen 4IX beads）可在50–2000 mg/L Li⁺的宽浓度范围内实现80–98%的锂回收率与99.99%的杂质排斥率，淡水消耗较传统氧化铝吸附剂降低十倍，无需氨缓冲液或酸再生，已应用于美国、阿根廷与欧洲的商业化DLE项目。

4.3 溶剂萃取（Sx）DLE

该方法因操作简单、效率高、可扩展性强而被广泛用于金属分离，性能取决于温度、萃取剂选型、pH与竞争离子浓度的优化。冠醚类萃取剂（12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6等）因空腔尺寸与结合特性对锂具有高选择性，可与离子液体复配、结合超临界二氧化碳（ScCO₂）或嵌入金属有机框架（MOF）/共价有机框架（COF）中，提升在复杂卤水中的稳定性与环境友好性。有机磷体系成本低但存在溶剂降解、二价阳离子共萃与反萃酸耗高的问题；羧酸与离子液体类萃取剂体现了绿色化学趋势，但成本仍待优化。未来发展方向为兼顾高选择性、低成本与可扩展性的杂化体系。

4.4 膜法DLE

该方法融合压力驱动与电场驱动工艺，具备试剂消耗低、模块化程度高与可再生能源适配性强的优势，依靠尺寸排阻、电荷选择性与电化学驱动力实现锂与其他离子的分离。

4.4.1 纳滤（NF）

纳滤膜可有效截留Mg²⁺、Ca²⁺等二价阳离子，让Li⁺透过，优化条件下Mg/Li分离因子显著。研究显示其对MgCl₂截留率可达98.5%，对LiCl截留率仅46.2%，协同静电排斥与分子筛分效应实现分离。中空纤维纳滤构型进一步降低了能耗与提升了装填密度，新型金属有机框架（MOF）基薄膜纳米复合材料与二维材料膜正突破传统渗透性-选择性权衡，但卤水组成复杂引发的膜污染与结垢（二氧化硅、硫酸钙）仍是主要挑战。

4.4.2 电渗析（ED）与双极膜电渗析（BMED）

二者均为电场驱动分离技术，利用离子交换膜实现离子定向迁移。电渗析可通过优化电流密度与膜电荷密度富集Li⁺、排斥Mg²⁺，但存在膜成本高、真实卤水中污染结垢与锂/镁选择性低时能耗高的缺陷。双极膜电渗析可通过pH拆分直接生产氢氧化锂，减少碱耗，在高离子强度条件下仍能维持稳定的膜性能与高产品纯度。

4.4.3 离子导电与固态锂膜

锂超离子导体（NASICON）型固态电解质（如Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃，LATP）凭借窄传导通道与刚性晶格，可选择性传导Li⁺并阻断Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺等竞争离子，LATP pellet膜在天然卤水中电流效率达97.4%，引入辅助电荷平衡（ACB）系统后锂/镁分离系数达5924，能耗仅0.80 kWh·kg^?1Li。石榴石型锂镧锆氧（LLZO）固态电解质也被证实可用于从低品位氯化锂溶液中直接制备高纯金属锂。产业层面，EnergyX的LITAS?平台整合膜分离与离子传输材料，将提锂周期从18个月缩短至1–2天；Pure Lithium的膜技术可直接从卤水制备锂金属负极，有望降低锂离子电池成本80%；LITHOS集团的ACQUA?混合电压膜技术可替代蒸发池并实现98%的水回用；斯坦福大学研发的膜技术锂选择性达99%，能耗仅为传统DLE的十分之一；LihyTech与沙特阿美合作开发的陶瓷膜成本不足10美元/平方米，较传统锂选择性膜低百倍以上，标志着该技术向模块化、资源高效化转型。

4.5 电化学锂捕获系统

该类系统涵盖电渗析变体、离子泵反应器、电吸附、电化学反应器与固态电解质/膜堆，以LiMn₂O₄等电极材料为核心，通过涂层改性可提升循环稳定性。无膜解耦电化学池已实现死海卤水84%的锂回收率，碳酸锂纯度超99.95%，能耗降低约21%；流动式离子泵反应器在富钠卤水中锂回收率达84%，能耗为3.9–9.5 Wh mol^?1Li；SnO₂纳米颗粒改性LiMn₂O₄电极将吸附容量提升至19.8 mg g^?1（1小时内），是未改性电极的1.7倍；LATP基固态电解质电池可从混合氯化物中制得纯度98.9%的碳酸锂；氧化还原驱动的FePO₄系统可在无外能输入下实现锂/钠选择性约350的吸附，适配地热或中低盐卤水。当前仍需解决严苛卤水环境下的长期稳定性、膜污染与成本竞争力问题，人工智能与机器学习被寄望于突破材料合成瓶颈与工艺参数优化难题。

4.6 DLE方法的商业技术进步

DLE技术已从概念验证走向工业部署，Lilac Solutions、Standard Lithium、ATLiS、SLB、Prairie Lithium、CleanTech Lithium、YPF、XtraLit、Vulcan Energy Resources、EnergyX、Volt Lithium Corp.等企业已在大陆盐湖卤水、油田卤水、地热卤水、地下卤水与盐矿沉积等多种资源地推进项目，多数处于技术就绪水平（TRL）7–9阶段，锂回收效率介于87%–96%之间。全规模商业化可行性仍需多年级别的长期运行数据验证。

5. DLE的优势与挑战

5.1 DLE的系统级优势

DLE摆脱了气候条件制约，可实现快速通量调控，凭借选择性捕获与可控再生实现更高回收效率，拓展了资源可及性，减小了地表占地，且具备模块化可扩展性。其工艺周期缩短至小时/天级，支持连续或半连续运行，可根据进料卤水化学组成的季节性稀释、储层降深或回注动态灵活调整参数。不同技术类别的TRL介于3–9之间，在能耗、试剂消耗、耐久性与可扩展性上存在显著差异。

5.2 DLE部署的技术与经济约束

DLE在规模化与供应链整合中面临八大系统性约束：放大与制造工艺、进料稀释与基质复杂性、污染与结垢、试剂与水耗强度、介质耐久性、固废管理、能源-水权衡与经济敏感性，这些问题需在全面商业化前逐一攻克。

6. 展望

6.1 直接提锂中的人工智能（AI）创新

人工智能（AI）与机器学习（ML）正成为DLE的下一代创新引擎，可处理材料、操作条件与性能指标间的复杂非线性关系，弥补传统实验与建模的局限。机器学习驱动纳滤模型可预测膜行为并优化分离效率，多目标优化框架提升了复杂卤水与电池回收料中的锂选择性回收率，增强了DLE系统的技术开发、工艺优化、技术经济预测与工业可行性评估能力。

6.2 AI加速材料发现与吸附剂设计

机器学习可减少试错实验，快速筛选组分变量并识别高性能掺杂构型。研究人员利用ML优化铝基锂吸附剂的掺杂改性，针对盐湖卤水将吸附容量提升近40%；结合沙普利加性解释（SHAP）等可解释AI（XAI）工具，可预测冠醚基二维层级材料的锂吸附能，提供机理洞察并形成闭环材料发现流程，缩短下一代DLE吸附剂与膜的开发周期。

6.3 吸附与膜性能的预测建模

树集成模型（随机森林、梯度提升、XGBoost）被用于评估16个参数对锂吸附的影响，其中XGBoost预测锂摄取量的R²达0.98，SHAP分析表明操作参数影响最大，其次为吸附剂参数与共存的离子浓度。机器学习亦被用于建模纳滤膜的锂渗透与Li⁺/Mg²⁺选择性，通过SHAP与偏依赖分析阐明水接触角、膜分子量截留值与跨膜压力对分离性能的作用机制，为DLE全流程提供预测支撑。

6.4 AI在资源评估、系统级优化与数字集成中的应用

在上游资源端，ML模型可整合地球化学数据集，精准估算斯马克欧弗等地层的经济可采锂浓度；在矿业整体层面，AI辅助卤水开采框架可提升资源回收的长期可持续性、安全性、效率与盈利能力。在系统层面，ML引导的多目标优化已同步实现退役电池中锂回收率提升与化学试剂、固废减量。未来预测性维护、供应链优化与自动化过程控制将进一步发展，数字孪生与基于强化学习的控制器将成为DLE工厂的核心组成部分。

7. 结论

本综述系统梳理了传统锂资源、非常规锂资源与直接提锂（DLE）技术体系，核心聚焦于DLE破解锂生产与供应链瓶颈的路径。DLE的核心驱动力来自锂需求增长、价格波动、快速生产需求、可持续性要求、卤水适应性与本地化供应链诉求。DLE技术可将卤水提锂周期从数月缩短至数小时/天，且具备环境足迹小、水土资源占用低的可持续优势。当前DLE已从实验室验证迈向工业部署，多家企业的中试项目验证了87%–96%的锂回收效率，但仍需解决放大制造、进料复杂性、污染结垢、试剂水耗、介质耐久性、固废管理、能源-水权衡与经济敏感性等系统性约束。人工智能在材料发现、性能预测、资源评估、系统优化与数字集成中的应用，将为DLE技术突破提供关键支撑，但标准化数据集缺失、模型迁移性差、工业数据获取难与长期耐久性数据不足仍是AI落地的障碍。未来需构建协同数据共享框架与混合建模策略，推动DLE从试点走向大规模商业化，构建可持续、高效的锂生产与供应链体系。