Kako tržište električnih vozila raste, potražnja za litijumom — mineralom potrebnim za litijum-jonske baterije — takođe je porasla. Globalna proizvodnja litijuma se više nego utrostručila u poslednjoj deceniji. Ali sadašnje metode vađenja litijuma iz stenskih ruda ili slanih rastvora su spore i dolaze sa visokim zahtevima za energijom i ekološkim troškovima. Oni takođe zahtevaju izvore litijuma koji su za početak neverovatno koncentrisani i nalaze se samo u nekoliko zemalja.
Sada su istraživači sa Pritzker škole za molekularno inženjerstvo (PME) Univerziteta u Čikagu optimizovali novu metodu za ekstrakciju litijuma iz razblaženijih i rasprostranjenijih izvora minerala, uključujući morsku vodu, podzemnu vodu i „povratnu vodu“ koja je ostala nakon frackinga. i bušenje nafte na moru.
„Trenutno postoji jaz između potražnje za litijumom i proizvodnje“, rekao je Čong Liu, docent za molekularno inženjerstvo porodice Neubauer i viši autor novog rada, objavljenog u Nature Communications. „Naš metod omogućava efikasnu ekstrakciju minerala iz veoma razblaženih tečnosti, što može u velikoj meri proširiti potencijalne izvore litijuma.
U novom istraživanju, Liu i njene kolege su pokazale kako određene čestice gvožđe fosfata mogu najefikasnije da izvuku litijum iz razblaženih tečnosti. Njihova nova otkrića mogla bi da ubrzaju eru brže, zelenije ekstrakcije litijuma.
Danas većina litijuma koji se koristi u litijumskim baterijama dolazi iz dva osnovna procesa ekstrakcije. Rude litijumskih stena mogu se kopati, razbijati teškim mašinama, a zatim tretirati kiselinom da bi se izolovao litijum. S druge strane, litijumski slani bazeni koriste ogromne količine vode koja se ispumpava na površinu zemlje, a zatim isparava – tokom više od godinu dana – da bi se dobio osušeni litijum.
„Ove metode nisu naročito ekološki prihvatljive za početak, a ako počnete da pokušavate da radite sa manje koncentrisanim izvorima litijuma, postaće još manje efikasni“, rekao je Liu. „Ako imate slanu vodu koja je 10 puta razblaženija, potrebno vam je 10 puta više slane vode da biste dobili istu količinu litijuma.
Poslednjih godina, Liuov tim je predvodio potpuno drugačiji metod za vađenje litijuma iz razblaženih tečnosti. Njihov pristup izoluje litijum na osnovu njegovih elektrohemijskih svojstava, koristeći kristalne rešetke olivin gvožđe fosfata. Zbog svoje veličine, naelektrisanja i reaktivnosti, litijum se uvlači u prostore u kolonama olivin gvožđe fosfata – poput vode koja se natapa u rupe u sunđeru. Ali, ako je kolona savršeno dizajnirana, joni natrijuma, takođe prisutni u slanim tečnostima, se izostavljaju ili ulaze u gvožđe fosfat na mnogo nižem nivou.
U novom radu, Liu i njene kolege, uključujući prvog autora novog rada Gangbina Iana, studenta diplomskog studija PME, testirali su kako varijacije u česticama olivin gvožđe fosfata utiču na njihovu sposobnost da selektivno izoluju litijum preko natrijuma.
„Kada proizvodite gvožđe fosfat, možete dobiti čestice drastično različitih veličina i oblika“, objašnjava Jan. „Da bismo otkrili najbolji metod sinteze, moramo znati koje od tih čestica su najefikasnije u odabiru litijuma u odnosu na natrijum.“
Istraživački tim je sintetizovao čestice olivin gvožđe fosfata koristeći različite metode, što je rezultiralo rasponom veličina čestica u rasponu od 20 do 6.000 nanometara. Zatim su te čestice podelili u grupe na osnovu njihove veličine i koristili ih za izgradnju elektroda koje bi mogle da izvuku litijum iz slabog rastvora.
Kada su čestice gvožđe fosfata bile prevelike ili premale, otkrili su, teže da puštaju više natrijuma u svoje strukture. To je dovelo do manje čistih ekstrakcija litijuma.
„Ispostavilo se da postoji ta slatka tačka u sredini gde i kinetika i termodinamika favorizuju litijum u odnosu na natrijum“, rekao je Liu.
Nalazi su od vitalnog značaja za pomeranje elektrohemijske ekstrakcije litijuma ka komercijalnoj upotrebi. Oni sugerišu da bi istraživači trebalo da se fokusiraju ne samo na proizvodnju olivin gvožđe fosfata, već i na proizvodnju olivin gvožđe fosfata idealne veličine čestica.
„Moramo imati na umu ovu željenu veličinu čestica dok biramo metode sinteze za povećanje“, rekao je Liu. „Ali ako to možemo da uradimo, mislimo da možemo razviti metodu koja smanjuje uticaj proizvodnje litijuma na životnu sredinu i obezbeđuje snabdevanje litijumom u ovoj zemlji.“
