Kemikere opfinder en mere effektiv måde at udvinde lithium fra minedriftssteder, oliefelter, brugte batterier

"Baseret på kalorimetriske målinger lærte vi, at amorft aluminiumhydroxid er den mindst stabile form blandt aluminiumhydroxider og derfor er meget reaktiv," sagde Kumar. "Det var en nøgle til denne metode, hvilket resulterede i større lithiumekstraktionskapacitet."

Fordi amorft aluminiumhydroxid er den mindst stabile blandt mineralets former, reagerer det spontant med lithium fra saltlage udvasket fra affaldsler. "Først da vi foretog målingerne, indså vi, at den amorfe form er langt, langt, meget mindre stabil. Det er derfor, den er mere reaktiv," sagde Kumar. "For at opnå stabilitet, reagerer den meget hurtigt sammenlignet med andre former."

Kumar optimerer processen, hvorved sorbenten selektivt adsorberer lithium fra væsker, der indeholder lithium, natrium og kalium og fortsætter med at danne LDH-sulfat.

På Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science-brugerfacilitet på ORNL, brugte forskerne scanningselektronmikroskopi til at karakterisere morfologien af ​​aluminiumhydroxid under lithiation. Det er et ladet neutralt lag, der indeholder atomare tomrum eller bittesmå huller. Lithium absorberes på disse steder. Størrelsen af ​​disse ledige stillinger er nøglen til aluminiumhydroxids selektivitet for lithium, som er en positivt ladet ion eller kation.

"Det ledige sted er så lille, at det kun kan passe til kationer på størrelse med lithium," sagde Kumar. "Natrium og kalium er kationer med større radier. De større kationer passer ikke ind på det ledige sted. Det er dog et perfekt match til lithium."

Selektiviteten af ​​amorft aluminiumhydroxid for lithium resulterer i næsten perfekt effektivitet. I et enkelt trin fangede processen 37 milligram lithium pr. gram genvindeligt sorbent - cirka fem gange mere end en krystallinsk form af aluminiumhydroxid kaldet gibbsit, som tidligere blev brugt til lithiumekstraktion.

Det første trin af lithiation udvinder 86 % af lithiumet i perkolatet, eller saltvandet, fra mineområder eller oliefelter. At køre perkolatet gennem den amorfe aluminiumhydroxid-sorbent en anden gang opsamler resten af ​​lithium. "I to trin kan du genvinde lithium fuldt ud," sagde Paranthaman.

Venkat Roy og Fu Zhao ved Purdue University analyserede livscyklusfordele ved en cirkulær økonomi fra direkte lithiumudvinding. De sammenlignede ORNL-processen med en standardmetode med natriumcarbonat. De fandt ud af, at ORNL-teknologien brugte en tredjedel af materialet og en tredjedel af energien og efterfølgende genererede færre drivhusgasemissioner.

Dernæst ønsker forskerne at udvide processen for at udvinde mere lithium og regenerere sorbenten i en bestemt form. Når nu den amorfe aluminiumhydroxid-sorbent reagerer med lithium og senere behandles med varmt vand for at fjerne lithium og regenerere sorbenten, er resultatet en strukturel ændring i aluminiumhydroxid-polymorfen fra amorf til en krystallinsk form kaldet bayerit.

"Bayeritformen er mindre reaktiv," sagde Kumar. "Det kræver enten mere tid - 18 timer - eller mere koncentreret lithium for at reagere, i modsætning til den amorfe form, som reagerer inden for 3 timer for at plukke alt lithium fra perkolatopløsningen. Vi skal finde en vej til at komme tilbage til den amorfe fase, som vi ved er meget reaktiv."

Succes med at optimere den nye proces for udvindingshastighed og effektivitet kan være en game-changer for den indenlandske lithiumforsyning. Mere end halvdelen af ​​verdens landbaserede lithiumreserver er på steder, hvor koncentrationen af ​​opløste mineraler er høj, såsom Californiens Salton Sea eller oliefelter i Texas og Pennsylvania.

"Indenlandsk har vi ikke rigtig lithiumfremstilling," sagde Paranthaman. "Mindre end 2% af lithium til fremstilling er fra Nordamerika. Hvis vi kan bruge den nye ORNL-proces, har vi forskellige lithiumkilder over hele USA. Sorbenten er så god, at du kan bruge den til enhver saltlage eller endda opløsninger fra genbrugte lithium-ion-batterier."

Flere oplysninger: K. Jayanthi et al., Integreret cirkulær økonomi-modelsystem til direkte lithiumudvinding:fra mineraler til batterier, der bruger aluminiumhydroxid, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12070

K. Jayanthi et al., Effect of Anions on the Delithiation of [Li-Al] Layered Double Hydroxides:Thermodynamic Insights, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05676

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry C , ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Oak Ridge National Laboratory