Ukonventionelle vandkilder kan være nøglen til at dække det amerikanske lithiumenergibehov

Efterhånden som industrier over hele landet begynder overgangen til vedvarende energi, forventes efterspørgslen efter batterier, og derfor lithium, at stige dramatisk. Men med meget af den globale lithiumforsyning placeret uden for USA, leder forskere efter nye teknikker til at udvinde det fra lokale, om end noget ukonventionelle, kilder såsom oliespildevand og geotermisk saltlage.

En af de mest lovende af disse ekstraktionsteknikker er elektrokemisk interkalation, en proces, hvor elektroder trækker lithium fra ellers ubrugeligt vand. Indtil for nylig havde teknologien ikke nået det ønskede niveau af Li-selektivitet for ekstremt fortyndede vandressourcer.

Nu har forskere ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vist, at "såning" af elektroder med lithiumioner kan hjælpe med at øge værtens lithiumselektivitet og frastøde uønskede elementer. Deres resultater blev offentliggjort i Nature Communications .

En væsentlig forskel

I kemi er interkalation den proces, hvorved "gæste"-ioner trækkes ind i og opbevares i et "værts"-materiale, hvor sidstnævnte fungerer som en slags molekylær bikube. Processen er også reversibel, hvilket betyder, at de samme ioner kan udvindes og processen gentages igen og igen. Det er nøglemekanismen bag genopladelige batterier.

Når det bruges til lithiumekstraktion, er elektrokemisk interkalation afhængig af et værtsmateriale - i dette tilfælde olivinjernphosphat (en type krystal) - der er særligt velegnet til at tiltrække og opbevare lithiumioner. Selvom det er bredt studeret og et af de bedst egnede materialer til jobbet, er olivinjernfosfat langt fra perfekt. Konkurrerende ioner trækkes ofte ind i værtsmaterialet sammen med lithium, elementer såsom natrium, som reducerer systemets effektivitet.

Liu og hendes team ønskede at forstå, hvad der drev disse co-interkalationer, og hvad der skete, når de to ioner blev lagret i krystallen.

I samarbejde med forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign brugte Liu og hendes team transmissionselektronmikroskopi til at se inde i deres værtsmateriale. De fandt ud af, at lithium og natrium havde en tendens til at skilles, når de fik chancen. Dette antydede, at lithium- og natriumioner frastødte hinanden inde i krystalmaterialet, meget på samme måde som olie og vand adskilles, når de blandes, en proces kaldet faseseparation.

For at bekræfte denne adfærd udviklede holdet beregningsmodeller i samarbejde med forskere ved Illinois Institute of Technology.

"Det var bemærkelsesværdigt at se disse ioner fase adskilt i to forskellige domæner, hvor et domæne kun var lithium og et kun var natrium," sagde Liu. "Det fik os til at spekulere på, hvordan vi kunne bruge det til at øge lithiumselektiviteten."

Så frøene til undersøgelse

På baggrund af deres resultater udtænkte Liu og hendes team et system til at forudså deres olivinvært med lithium. De teoretiserede, at dette ville øge energibarrieren for natriumioner, hvilket gør det sværere for uønskede elementer at trænge ind i værten.

De fandt ud af, at såning af 20 til 40 procent af de samlede værtsmaterialers opbevaringssteder kan øge selektiviteten til henholdsvis 1,6 gange og 3,8 gange. De podede høj-Li faste opløsningsfaser viste en stærk korrelation til selektivitetsforøgelsen.

Holdet observerede også, at flere faktorer, herunder værtens morfologi og defekter, bidrog til lithiumselektiviteten, hvilket giver flere muligheder for yderligere forskning. Fremtidige undersøgelser vil undersøge de ideelle såningsbetingelser og værtsmorfologi for at maksimere lithiumselektiviteten.

"Vi har demonstreret en effektiv måde at manipulere den kinetiske vej i et værtsmateriale," sagde Liu. "Hvis du kan kontrollere lithium-natrium-vejen, har du en kraftfuld håndtag til at påvirke lithium-selektiviteten. Den erkendelse åbner en dør for mere undersøgelse og i sidste ende et bæredygtigt system til udvinding af lithium." + Udforsk yderligere

Ny teknologi kan hjælpe med at udvinde lithium fra nye kilder