Zespół prof. Lisy Biswal i prof. Haotiana Wanga z Rice University stworzył reaktor, który działa dzięki membranie litowo-jonowej (LICGC), znanej wcześniej głównie z zastosowań w ogniwach półprzewodnikowych. Jej zadaniem jest przepuszczanie tylko jonów litu, blokując inne pierwiastki, co pozwala uzyskać czystość litu na poziomie aż 97,5 proc. Co istotne, proces jest przyjazny dla środowiska – nie wytwarza toksycznego chloru, który często jest produktem ubocznym w tradycyjnych metodach elektrochemicznych. Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie PNAS.
Lit z gorących źródeł? Nowa metoda pomoże go pozyskać
Lit, niezbędny w produkcji baterii, od dawna pozyskiwany jest tradycyjnymi metodami, które wymagają intensywnego zużycia energii i wywołują poważne problemy środowiskowe. Naturalne solanki, jak te z gorących źródeł, są bardziej atrakcyjne od trudnych w eksploatacji złóż skalnych. Jednak proces separacji litu od innych jonów, takich jak sód, potas czy magnez, był dotąd niezwykle skomplikowany ze względu na ich podobne właściwości chemiczne. Ponadto solanki zawierają wysokie stężenia jonów chlorkowych, które mogą prowadzić do produkcji niebezpiecznego gazu chlorowego w tradycyjnych procesach elektrochemicznych, co dodatkowo komplikuje i zwiększa obawy dotyczące bezpieczeństwa procesu ekstrakcji.
Czytaj też: Jak EALNF zmieni przemysł akumulatorowy? Oto innowacyjna metoda wydobycia litu
Zespół inżynierów z Rice Univerity poradził sobie z tymi wyzwaniami dzięki nowatorskiemu, trójkomorowemu reaktorowi elektrochemicznemu, który poprawia selektywność i wydajność ekstrakcji litu z solanek. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, nowy reaktor wprowadza komorę środkową zawierającą porowaty stały elektrolit, która zapobiega tym niepożądanym reakcjom poprzez kontrolowanie przepływu jonów w solance. Membrana wymiany kationów działa jak bariera dla jonów chlorkowych, uniemożliwiając im dotarcie do obszaru elektrody, gdzie mogłyby się połączyć, aby wytworzyć gaz chlorowy, a tym samym minimalizując niebezpieczne produkty uboczne.
Elementem, który umożliwia wysoce selektywną ekstrakcję litu, jest specjalistyczna ceramiczna membrana litowo-jonowa (LICGC) po drugiej stronie elektrolizera, która selektywnie pozwala na przepływ litu, blokując jednocześnie inne jony. Wysoka przewodność jonowa i selektywność membrany LIGGC są kluczowe dla utrzymania wydajności, ponieważ znacznie zmniejszają zakłócenia ze strony innych jonów obecnych w naturalnych solankach, takich jak potas, magnez i wapń. Chociaż membrany LIGGC są zazwyczaj stosowane w ogniwach litowo-jonowych ze stałym elektrolitem, to zastosowanie selektywnej ekstrakcji litu stanowi nowatorskie i wydajne wykorzystanie wysokiej przewodności jonowej i selektywności materiału.
Reaktor osiągnął imponujące wyniki, w tym stopień czystości litu wynoszący 97,5 proc. Oznacza to, że układ mógł skutecznie oddzielać lit od innych jonów w solance, co jest krytyczne dla produkcji wysokiej jakości wodorotlenku litu, ważnego materiału do produkcji baterii. Ponadto nowa konstrukcja reaktora znacznie zmniejszyła produkcję chloru gazowego, dzięki czemu proces stał się bezpieczniejszy i bardziej przyjazny dla środowiska.
Prof. Lisa Biswal z Rice University mówi:
Ten reaktor może stanowić duży krok naprzód w zwiększaniu wydajności ekstrakcji litu i zmniejszaniu jej szkodliwości dla środowiska.
Innowacyjność rozwiązania otwiera drzwi do szerszego wykorzystania solanek geotermalnych jako źródła litu, szczególnie w miejscach, gdzie dotychczasowe metody wydobycia były ekonomicznie nieuzasadnione. Technologia ta, jeśli zostanie zoptymalizowana, może znacząco zwiększyć dostępność litu na rynku, wspierając globalną transformację energetyczną.
Jednak przed wdrożeniem rozwiązania na skalę przemysłową zespół musi rozwiązać problem gromadzenia się jonów sodu na membranie podczas długotrwałego użytkowania. Trwają prace nad modyfikacją prądu czy zastosowaniem specjalnych powłok ochronnych, które mogą usprawnić proces.