Растущий спрос на литий, обусловленный бурным развитием электромобилей и систем хранения возобновляемой энергии, требует новых эффективных и экологичных способов добычи этого дефицитного металла. Для решения этой проблемы учёные из Университета Райса предложили инновационный способ получения лития. Их установка, представляющая собой усовершенствованный электрохимический реактор, открывает новые возможности для более экологичного и экономически выгодного извлечения лития из природных соляных растворов. Научная работа была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences и может значительно изменить подход к добыче лития, обеспечивая устойчивый и стабильный источник этого важного металла.
Традиционные методы добычи лития включают интенсивное использование энергии и сталкиваются с трудностями в отделении лития от других похожих ионов. Природные рассолы — солёные воды, часто встречающиеся в геотермальных источниках, — содержат не только литий, но и такие ионы, как натрий, калий, магний и кальций. Эти элементы обладают схожими химическими свойствами и ионными размерами, что затрудняет их эффективное разделение. Более того, стандартные методы отделения требуют больших затрат энергии и создают побочные продукты, включая опасный хлор, который образуется в результате взаимодействия хлоридов с электродами. В результате традиционная добыча лития из солёных вод остаётся дорогой и экологически небезопасной.
Команда под руководством профессоров Лизы Бисвал и Хаотяня Вана предложила инновационный трёхкамерный электрохимический реактор, в котором удалось значительно повысить избирательность и эффективность извлечения лития. Уникальность конструкции заключается в использовании трёх камер: промежуточная камера с пористым твёрдым электролитом регулирует движение ионов, предотвращая реакции, приводящие к образованию опасных побочных продуктов. Эта камера также ограничивает поток хлоридов к электродам, что снижает риск появления хлора.
Основным компонентом, обеспечивающим высокую избирательность к литиевым ионам, является литий-ионная проводящая стеклокерамическая мембрана (LICGC), которая позволяет проходить только ионам лития, блокируя при этом другие элементы. Этот материал, обычно используемый в твердотельных аккумуляторах, показал себя эффективным в новом контексте, демонстрируя высокую ионную проводимость и устойчивость к ионам других металлов, таких как магний и кальций.
Экспериментальные тесты показали, что реактор способен достигать чистоты лития на уровне 97,5%. Это означает, что новая установка обеспечивает эффективное и почти полное отделение лития от других элементов, что критично для создания высококачественного гидроксида лития — важного материала для аккумуляторных батарей. При этом значительно сокращается производство хлора, что делает процесс экологичнее и безопаснее по сравнению с традиционными методами.
Исследователи также столкнулись с рядом проблем, связанных со стабильностью работы устройства. Было обнаружено, что со временем на мембране LICGC накапливаются ионы натрия, что ухудшает эффективность и увеличивает энергопотребление. В то время как ионы калия, магния и кальция не оказывают такого влияния, накопление натрия становится значимым ограничением. Команда предложила несколько решений для улучшения стабильности реактора, включая снижение уровня тока и использование защитных покрытий для мембраны, что позволит поддерживать её проводимость и эффективность в долгосрочной перспективе.
Предложенная технология открывает новый путь к созданию более устойчивой и экологически чистой цепочки поставок лития. Быстрорастущий спрос на литий для электромобилей и возобновляемой энергетики требует надёжных и экономически выгодных методов его добычи. Разработка Университета Райса демонстрирует, как сочетание фундаментальных научных исследований и инженерного подхода позволяет решать реальные задачи, приближая будущее, где устойчивое развитие становится реальностью.
Этот проект объединил усилия аспирантов и исследователей Университета Райса, а также постдокторантов Шаоюна Хао, Чживэя Фанга, Сяо Чжана и Шоукуна Чжана. Технологическая поддержка была предоставлена лабораторией SIMS под руководством Тангуя Терлье, директора по исследованиям поверхности и интерфейсов в Университете Райса.
