Med hjälp av elektrisk ström och väteperoxid har forskare vid Penn State utvecklat ett mer effektivt sätt att utvinna litium, en nyckelkomponent i batterier som används i elfordon och bärbara elektriska apparater, direkt från malm som finns i det vanliga mineralet spodumen. Processen kan leda till en kostnadsminskning på 35,6% och en minskning avCO2-utsläppen med 75,3% jämfört med traditionella, mindre hållbara utvinningsmetoder, enligt teamet som leds av Feifei Shi, biträdande professor i energiteknik vid Penn State.
Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Nature Communications.
Det finns två vanliga sätt att utvinna litium: genom stora saltvattensjöar eller från litiummalm som ligger begravd i bergsformationer. För närvarande skördas 70% av litiumet genom saltlake på grund av den låga kostnaden, men båda har betydande negativa effekter, enligt forskarna.
Saltlösningsmetoden kan ta många månader och innebär vanligtvis att stora sjöar med en högkoncentrerad saltlösning indunstas och att litiumsaltet separeras från natrium på kemisk väg. När lösningen har avdunstat helt blir den kvarvarande jorden nästan ofruktbar och kan inte hysa mycket växtlighet, enligt Zhang.
Den andra traditionella metoden är att laka ut litium från malmen, vilket kräver starka syror eller baser och extrema temperaturer på upp till 1.100 grader Celsius. Under förhöjda temperaturer minskar spodumenets atomtäthet, vilket gör att syran kan underlätta de kemiska reaktioner som krävs för att ersätta litiumjoner med vätejoner, vilket frigör litiumet för utvinning. Att upprätthålla den temperaturen i kommersiell skala kräver betydande energiförbrukning, samtidigt som behovet av högkoncentrerad syra medför ytterligare kostnader och säkerhetsrisker, enligt forskarna.
”För det första, tänk bara på den tunga infrastruktur som krävs för att klara den värmen varje dag; det är kostsamt och en potentiell fara för arbetarna”, säger Shi. ”För det andra kan vi inte äventyra vår miljö bara för att producera litium. Potentialen i ett mer hållbart sätt att skapa elfordon skulle kunna fungera som en multiplikator och hjälpa oss att uppnå nettonollutsläpp.”
Forskargruppens nya metod innebär att ett elektriskt fält appliceras på mineralet för att elektrokemiskt laka eller lösa upp litiumresurserna i fast form till en löslig, flytande form. Jämfört med traditionella lakningsmetoder kräver inte upplösning av jonerna genom elektrokemi förhöjda temperaturer, högt tryck eller hög koncentration av lakningsmedel för att ändra mineralets naturliga tillstånd.
I de första försöken exciterade strömmen elektroner i mineralet, vilket frigjorde en del litiumjoner men inte tillräckligt för att skala upp metoden för en optimerad kommersiell tillämpning. Shi rekommenderade att man skulle använda väteperoxid för att främja urlakningen, vilket skulle sänka urlakningsreaktionens barriärer och underlätta en effektivare transport av elektroner.
Morfologi, kristallstruktur och ytkemi hos spodumen och deras effekt på elektrokemisk lakning. Kredit: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48867-0
I sina studier observerade forskarna en effektivitet på 92,2%, vilket är jämförbart med traditionella metoder. Deras metod kräver dock kortare processtid, eftersom mediatorn inte tillför föroreningar som kräver ytterligare separation.
”För att utvinna litium ur saltlake måste man vänta på att vattnet långsamt ska avdunsta, man kan inte kontrollera hur snabbt man producerar saltet och man kan bara generera mer genom att öka ytan – så fler saltdammar och fler negativa effekter”, säger Shi. ”Men med vår metod kan vi tillsätta så mycket spodumen som vi vill och helt enkelt öka den elektriska strömmen för att generera, eller påskynda, lakningsreaktionen.”
Zhen Lei, professor i energi- och miljöekonomi vid Penn State och medförfattare till studien, lyfte fram den potentiella minskningen av kostnader och koldioxidutsläpp jämfört med nuvarande metoder.
”En viktig faktor för kostnadsbesparingen och utsläppsminskningen är att vår metod endast använder el och på ett mycket effektivt sätt, till skillnad från den befintliga metoden som använder både el och naturgas som energitillförsel”, säger Lei. ”En annan viktig faktor för kostnadsbesparingarna är att vår metod involverar mycket färre kemikalier. Om vår metod kan fungera väl vid storskalig litiumutvinning har den stor potential att minska miljöpåverkan.”
För Zhang är nästa steg att utveckla en elektrokemisk metod för att selektivt återvinna litiumet till fasta prekursorer som litiumklorid eller litiumhydroxid som industrin kan använda direkt.
”Lakning är bara det första kapitlet”, säger Zhang. ”Vi har utvunnit litium från malm till vatten, nu måste vi utveckla det till fast fas för att slutföra historien.”
Shi sa att det finns mer arbete och ytterligare forskning att komma med på Penn State.
”Vi tror verkligen att det här är en revolution”, säger Shi. ”Elektrokemi kommer att öppna dörren för en hel del intressant, tvärvetenskaplig forskning kring gruvdrift eller mineralbearbetning.”
Ytterligare medarbetare från Penn State är Jianwei Lai, doktorand i energi- och mineralteknik, Yang Yang, biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, och forskningsassistent Joseph Wolf, doktorand i energi- och mineralteknik. Ying Han, som var postdoktor i teknisk vetenskap och mekanik vid Penn State vid tidpunkten för forskningen och nu är verksam vid University of California Irvine, har också bidragit.
För mer information: Hanrui Zhang et al, Direct extraction of lithium from malms by electrochemical leaching, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48867-0
