探索通过金属锂逐步电沉积实现同位素分离，以应用于实际场景并具备规模化生产潜力

《Separation and Purification Technology》：Exploration of isotope separation via stepwise electrodeposition from metallic lithium for practical and scalable applications

　　

摘要

作为核聚变反应中的氚增殖剂，富集的⁶Li对于发展聚变能源而言不可或缺。与其他多级分离方法相比，电沉积法具有更优异的分离性能，且能显著减少多级分离的步骤数。该方法以金属锂作为初始阳极，以阴极产物作为下一级的原料，其质量传递速率更快，电流效率更高，应用潜力较大。然而，现有研究大多集中在单级分离上，对多级模型的探索较为有限，多级过程中的物质传输机制仍不清楚。针对这些问题，本研究系统研究了不同电解质体系、机械搅拌以及沉积时间对分离效果的影响，并进行了多级分离验证与理论级联建模。主要研究结果如下：通过采用金属锂作为阳极材料，并借助电解质搅拌来改善质量传递，在2小时的分离实验中获得了1.063的分离因子。在此基础上优化电解质体系后，在含有LiFSI锂盐的三元溶剂体系中获得了最高1.121的分离因子。研究还表明，通过降低过电位，可以控制阴极上均匀的锂沉积形成，从而促进级间质量传递；同时，在0.2伏的电压下获得了高达1.210的两级分离因子。最后，本研究提出了一种逐步多级级联分离模型，通过回收每级阳极分离后的耗尽材料，提高了锂同位素的整体产出率。

章节节选

引言。

面对全球能源危机和气候变化带来的严峻挑战，受控核聚变被视为满足未来可持续能源需求的潜在终极解决方案。与传统化石燃料相比，受控核聚变具有资源供应无限、清洁、安全以及能量密度高等诸多优势[1]。近年来，世界各国在核聚变领域取得了多项突破

装置与试剂

锂同位素分离的电沉积实验是在用聚碳酸酯通过3D打印技术制成的电解池中进行的。该分离系统由电极组件和电解质体系组成；在单级和多级实验中，第一级均采用在15兆帕压力下压制的锂片作为阳极，不锈钢作为阴极（有效面积为2.5平方厘米）。电解质

缓解阴极扩散层中的浓度梯度效应

在电沉积和分离过程中，随着电镀的进行，电解液中的⁶Li和⁷Li会以偏离其自然丰度比的比例沉积在阴极上；电解液中的较轻同位素（⁶Li）在阴极表面逐渐耗尽，而电解液主体中的⁶Li无法及时补充，因此在阴极表面会形成一层锂离子浓度及⁶Li/⁷Li比值较低的扩散层，而

结论

从实际应用和可扩展性的角度出发，本文采用金属锂作为阳极，并通过机械搅拌增强质量传递，有效解决了阴极扩散层的浓度梯度问题。经过2小时的电沉积后，分离因子达到了1.063，电流效率始终保持在98%以上。

在对常见离子电池电解质体系的研究中发现，EDE-LiFSI体系获得了最高的分离因子

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2909100）以及中国国家自然科学基金（项目编号：52304376、52574409）的资助。

张玉杰|肖楠|刘思良|陆阳|江亮星|张宗良|刘芳扬

中国长沙410083，中南大学冶金与环境学院