Elektrokemiske celler høster lithium fra havvand

Lithium er et vigtigt element i batterierne, der driver elektriske køretøjer, men den stigende efterspørgsel efter lithium forventes at udtømme landbaserede reserver i 2080. KAUST-forskere har nu udviklet et økonomisk levedygtigt system, der kan udvinde højrent lithium fra havvand.

Havene indeholder omkring 5, 000 gange mere lithium end jorden, men ved ekstremt lave koncentrationer på omkring 0,2 ppm. Større ioner, herunder natrium, magnesium og kalium, er alle til stede i havvand i meget højere koncentrationer; imidlertid, tidligere forskningsbestræbelser på at drille lithium fra denne blanding har kun givet lidt.

KAUST-teamet løste dette problem med en elektrokemisk celle indeholdende en keramisk membran lavet af lithium lanthan titaniumoxid (LLTO). Dens krystalstruktur indeholder huller lige brede nok til at lade lithiumioner passere igennem, mens de blokerer større metalioner. "LLTO-membraner er aldrig blevet brugt til at udvinde og koncentrere lithium-ioner før, " siger postdoc Zhen Li, der udviklede cellen.

Cellen indeholder tre rum. Havvand strømmer ind i et centralt fødekammer, hvor positive lithiumioner passerer gennem LLTO-membranen ind i et siderum, der indeholder en bufferopløsning og en kobberkatode belagt med platin og ruthenium. I mellemtiden negative ioner forlader fødekammeret gennem en standard anionbyttermembran, passerer ind i et tredje rum indeholdende en natriumchloridopløsning og en platin-ruthenium-anode.

Forskerne testede systemet ved hjælp af havvand fra Det Røde Hav. Ved en spænding på 3,25V, cellen genererer brintgas ved katoden og klorgas ved anoden. Dette driver transporten af ​​lithium gennem LLTO-membranen, hvor det samler sig i sidekammeret. Dette lithiumberigede vand bliver derefter råmaterialet til yderligere fire behandlingscyklusser, til sidst når en koncentration på mere end 9, 000 ppm. Justering af denne opløsnings pH-værdi giver fast lithiumphosphat, der kun indeholder spor af andre metalioner - rent nok til at opfylde batteriproducenternes krav.

Forskerne vurderer, at cellen kun ville have brug for 5 USD elektricitet for at udvinde 1 kg lithium fra havvand. Værdien af ​​brint og klor produceret af cellen ville mere end opveje disse omkostninger, og resterende havvand kunne også bruges i afsaltningsanlæg til at levere ferskvand.

"Vi vil fortsætte med at optimere membranstrukturen og celledesignet for at forbedre proceseffektiviteten, " siger gruppeleder Zhiping Lai. Hans team håber også at samarbejde med glasindustrien for at producere LLTO-membranen i stor skala og til en overkommelig pris.