În cursa pentru satisfacerea cererii globale tot mai mari de litiu – o componentă esențială a bateriilor pentru vehiculele electrice – o echipă de cercetători a dezvoltat o metodă revoluționară de extracție a litiului care ar putea remodela industria, transmite Science Daily.

Cercetătorii au dezvoltat o metodă eficientă de extracție a litiului, deschizând calea pentru lanțuri durabile de aprovizionare cu baterii pentru mașini electrice

În studiul lor, cercetătorii au demonstrat o selectivitate aproape perfectă a litiului prin reutilizarea electroliților în stare solidă (SSE) ca materiale membranare pentru extracția apoasă a litiului. Deși au fost concepute inițial pentru conducerea rapidă a ionilor de litiu în bateriile cu stare solidă – unde nu există alți ioni sau solvenți lichizi – s-a constatat că structura extrem de ordonată și închisă a SSE-urilor permite o separare fără precedent atât a ionilor, cât și a apei din amestecurile apoase.

În cursa pentru satisfacerea cererii globale în creștere de litiu – o componentă esențială a bateriilor pentru vehiculele electrice – o echipă de cercetători din laboratorul Elimelech al Universității Rice a dezvoltat o metodă revoluționară de extracție a litiului care ar putea remodela industria.

În studiul lor publicat în Science Advances, cercetătorii au demonstrat o selectivitate aproape perfectă a litiului prin reutilizarea electroliților în stare solidă (SSE) ca materiale membranare pentru extracția apoasă a litiului. Deși inițial au fost concepute pentru conducerea rapidă a ionilor de litiu în bateriile cu stare solidă – unde nu există alți ioni sau solvenți lichizi – s-a constatat că structura extrem de ordonată și limitată a SSE permite o separare fără precedent atât a ionilor, cât și a apei din amestecurile apoase, scrie Science Daily.

Această descoperire reprezintă o descoperire potențială în recuperarea durabilă a resurselor, reducând dependența de tehnicile tradiționale de minerit și extracție care sunt atât consumatoare de timp, cât și dăunătoare mediului.

„Provocarea nu constă doar în creșterea producției de litiu, ci și în a face acest lucru într-un mod care să fie atât durabil, cât și viabil din punct de vedere economic”, a declarat autorul corespondent Menachem Elimelech, profesor Nancy și Clint Carlson de inginerie civilă și de mediu.

Tehnologiile de extracție directă a litiului care recuperează litiul din surse neconvenționale

Pentru a face extracția litiului mai durabilă din punct de vedere ecologic, cercetătorii au explorat tehnologiile de extracție directă a litiului care recuperează litiul din surse neconvenționale, cum ar fi apa produsă de petrol și gaze, apele reziduale industriale și saramurile geotermale. Cu toate acestea, aceste metode s-au confruntat cu probleme de selectivitate a ionilor, în special atunci când au încercat să separe litiul de alți ioni de dimensiuni sau sarcini similare, precum magneziul și sodiul.

Noua abordare dezvoltată de Elimelech și echipa sa se bazează pe o diferență fundamentală între SSE și membranele nanoporoase convenționale. În timp ce membranele tradiționale se bazează pe pori hidratați la scară nanometrică pentru a transporta ionii, SSE-urile transportă ionii de litiu printr-un mecanism de salt anhidru în cadrul unei rețele cristaline foarte ordonate.

„Acest lucru înseamnă că ionii de litiu pot migra prin membrană, în timp ce alți ioni concurenți, și chiar apa, sunt efectiv blocați”, a declarat primul autor Sohum Patel, care este acum cercetător postdoctoral la Massachusetts Institute of Technology.

„Selectivitatea extremă oferită de abordarea noastră bazată pe SSE o transformă într-o metodă extrem de eficientă de recoltare a litiului, deoarece energia este cheltuită doar pentru deplasarea ionilor de litiu doriți prin membrană.”

Rezultatele au fost uimitoare

Echipa de cercetare, din care mai fac parte Arpita Iddya, Weiyi Pan și Jianhao Qian – cercetători postdoctorali în laboratorul lui Elimelech de la Rice – a testat acest fenomen folosind o configurație de electrodializă, în care un câmp electric aplicat a condus ionii de litiu prin membrană. Rezultatele au fost uimitoare: Chiar și la concentrații ridicate de ioni concurenți, SSE a demonstrat în mod constant o selectivitate aproape perfectă a litiului, fără ioni concurenți detectabili în fluxul de produs – ceea ce tehnologiile convenționale cu membrană nu au reușit să realizeze.

Folosind o combinație de tehnici computaționale și experimentale, echipa a investigat de ce SSE-urile au prezentat o selectivitate atât de remarcabilă a ionilor de litiu. Descoperirile au arătat că rețeaua cristalină rigidă și bine strânsă a SSE a împiedicat moleculele de apă și ionii mai mari, precum sodiul, să treacă prin structura membranei. De asemenea, ionii de magneziu, care au o sarcină diferită de cea a ionilor de litiu, s-au dovedit a fi incompatibili cu structura cristalină și au fost astfel respinși.

„Rețeaua acționează ca o sită moleculară, permițând doar ionilor de litiu să treacă prin ea”, a declarat Elimelech. „Această combinație de dimensiune extrem de precisă și excluderea sarcinii este ceea ce face ca membrana SSE să fie atât de unică”.

Cercetătorii au observat că, deși ionii concurenți nu au penetrat SSE, prezența lor în soluția de alimentare a redus fluxul de litiu prin blocarea locurilor disponibile pe suprafață pentru schimbul de ioni, o provocare care, în opinia lor, poate fi abordată prin ingineria ulterioară a materialului.

Având în vedere lipsa litiului la orizont, industriile care se bazează pe bateriile litiu-ion, inclusiv sectoarele auto, electronic și al energiei regenerabile, caută surse suplimentare de litiu și metode de extracție mai durabile. Membranele pe bază de SSE ar putea juca un rol crucial în asigurarea unei aprovizionări stabile cu litiu, fără impactul asupra mediului al mineritului tradițional.

„Prin integrarea SSE-urilor în sistemele de electrodializă, am putea permite extracția directă a litiului dintr-o gamă largă de surse apoase, reducând necesitatea unor iazuri de evaporare mari și a unor etape de purificare intensive din punct de vedere chimic”, a declarat Patel. „Acest lucru ar putea reduce semnificativ amprenta ecologică a producției de litiu, făcând în același timp procesul mai eficient.”

Descoperirile sugerează, de asemenea, aplicații mai largi decât litiul pentru SSE în separările selective de ioni.

„Mecanismele de selectivitate ionică în SSE ar putea inspira dezvoltarea de membrane similare pentru extragerea altor elemente critice din surse de apă”, a declarat Elimelech. „Acest lucru ar putea deschide ușa către o nouă clasă de materiale membranare pentru recuperarea resurselor”.