锂电池无处不在——它们为笔记本电脑和手机供电，用于电池储能系统，并且是电动汽车（EV）中最常见的电池技术。因此，对锂的需求将持续增长。2025年第一季度，美国电动汽车销量增长了11.4%，国际能源署（IEA）估计，仅在2022年至2023年间，电池对锂的需求就增长了30%。
这种增长令人鼓舞，因为电动汽车和电池储能是减少温室气体排放的重要组成部分。然而，随着锂需求的增长，供应问题将变得更加严峻。全球陆地锂资源储量估计约为2200万公吨，且高浓度锂资源仅分布在少数几个地理区域，特别是南美各国和中国的优质卤水，以及澳大利亚的硬岩矿。
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随着需求增加，不仅供应可能成为问题，从这些来源提取锂的过程也带来了挑战。从卤水中提取锂涉及太阳能蒸发和化学沉淀，这一过程耗时较长，并可能改变当地生态系统和供水。硬岩开采也会造成环境影响，并涉及大量的化学品使用和水资源消耗。
为了应对这些挑战，研究人员正在探索新的提锂方法，目标是最终从海水中提取这种元素。海洋中蕴含约2000亿公吨的锂——几乎是取之不尽的供应——但其浓度极低，仅为百万分之180，且周围环绕着大量的钠等其他离子。
我们如何改进提取技术以获取这些海洋资源？通过改造和优化海水淡化技术，我们可以提高从卤水中提取锂的效率，并最终将其扩展到海水中。
直接提锂技术开启了新的可能性
直接提锂（DLE）旨在从卤水中高效捕获锂离子，包括油气田卤水、地热卤水和盐湖卤水。实现这一过程有多种方法，其中大多数是改编自现有的海水淡化和废水处理技术。我们分析了CAS内容合集TM（全球最大的人工标引科学信息合集），以更好地了解这些技术的发展趋势。我们发现，近年来与DLE相关的出版物增长迅速（见图1）。过去两年增长尤为迅猛，仅2025年的前两个月，出版物数量就已达到2024年总数的三分之一。
所有出版物中有一半是专利，这表明商业界对这些技术有着浓厚的兴趣。鉴于锂电池需求的增长，这一点在情理之中。与目前的提取方法相比，DLE还具有诸多优势——耗水和化学品消耗更少、环境影响极小、回收率高、提取速度快，且成本可能更低。
然而，每种卤水所含的锂、其他元素和离子以及总溶解固体的水平各不相同，这意味着没有一种方法在任何情况下都有效。在关于DLE日益丰富的文献中，多种技术正在被研究，每种技术都有其独特的优缺点。
直接提锂的类型
用于卤水及潜在海水的DLE主要有五种类型：
- 吸附法：使用铝基材料的吸附法是目前唯一商业化的DLE技术。当我们分析CAS内容合集中与DLE相关文献的概念时，“吸附”和“吸附剂”是报告最多的概念（见图2）。这证明了该方法的研究之广泛。该过程通过吸附剂选择性结合锂，然后使用不同的溶液进行解吸。碳、沸石、金属有机框架和层状双氢氧化物是该过程中使用的材料示例。吸附法的优势在于其具有高锂吸收潜力和低能耗。然而，正如研究人员所指出的那样，要达到最高的技术就绪水平（TRL），吸附法要求锂含量至少大于100 mg/L，卤水温度需在50℃左右，且盐度足够高。
- 离子交换法：该过程涉及交换吸附剂内部携带相同电荷的锂离子与其他离子。与吸附法类似，该过程具有很高的锂吸收能力。然而，嵌入材料通常在酸性溶液中使用，这些材料可能会因酸而变得不稳定或降解。嵌入材料包括锰和钛。
- 溶剂萃取法：该方法依赖于分离基于锂在有机相和水相之间分配系数的差异。溶剂萃取法对复杂卤水有效，但它使用煤油或甲基异丁基酮，这增加了火灾风险。此外，该技术中添加剂和溶剂的使用也引发了环境担忧。
- 膜分离法：半透膜可用于选择性过滤卤水中的锂离子和其他盐类。这些膜可以是聚酰胺、NASICON基材料或反渗透膜。该过程相对简单且环保，不需要高能耗。然而，该方法需要对高浓度卤水进行预处理，因此并非在所有应用中都高效。
- 电化学法：该过程仍处于应用研究阶段，但展现出前景。它涉及使用锂嵌入材料作为提取电极，并可应用于锂离子电池浸出液，从而实现废弃材料的再利用。研究人员指出其具有高锂选择性、短反应时间和低能耗的特点。一项研究表明，锰酸锂和活性炭电极可重复使用且无降解。镍锰酸锂（LNMO）和磷酸铁锂（LFP）也是潜在的电极材料。该过程在商业化前仍需改进，但斯坦福大学领导的一项研究已将其用于加利福尼亚州半月湾的海水提取，并取得了积极成果。
さらに、DLEに関連する国際特許分類（IPC）コードを評価し、研究の現状を分析しました。特許の大部分は「化学・冶金」および「作業の実施」のセクションに分類されます。本分析における主要なDLE手法は、概念分析の結果と一致しており、吸着法が最も多く、次いで膜分離技術が続きます（図3参照）。
海水からのリチウム抽出における課題
海水から大規模かつ効率的にリチウムを抽出するには、既存の塩水を用いた手法を改良し、低濃度である海水から大量のリチウムを回収できるレベルまで高める必要があります。このプロセスには障壁が存在します。例えば、現在の抽出手法は太陽蒸発法などに比べてコストが高く、経済的な実現可能性を確保するにはリチウム価格の安定が不可欠です。
スケーラビリティも課題の一つです。抽出手法は大規模な運用が可能であるだけでなく、理想的には複数の手法が多様な塩水に対応できる必要があり、それによって利用可能なあらゆる水資源を活用できるようになります。こうした改善が進めば、DLE技術を海水に応用し、将来的なリチウム不足を回避できる可能性があります。
これらは大きな課題ですが、自動車やパーソナルデバイスにおけるリチウム電池の普及に伴い、技術革新への意欲が高まり、さらなる研究と技術の向上が促進されるでしょう。
