توسعه رآکتور الکتروشیمیایی جدید توسط رایس برای استخراج ۹۷/۵٪ لیتیوم از چشمه‌های آب‌گرم
تیمی از محققان دانشگاه رایس به رهبری لیزا بیسوال و هائوتین وانگ، رآکتور الکتروشیمیایی نوآورانه‌ای طراحی کرده‌اند که برای استخراج لیتیوم از محلول‌های آب‌نمک طبیعی طراحی شده است.
این روش جدید راه‌حلی امیدبخش برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد برای لیتیوم در باتری‌های قابل شارژ ارائه می‌دهد.
این موفقیت، که در ژورنال آکادمی ملی علوم منتشر شده، پتانسیل قابل توجهی برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی دارد.
آب چشمه‌های آب‌گرم
لیتیوم یکی از اجزای حیاتی در باتری‌ها برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی است؛ با این حال، روش‌های سنتی استخراج لیتیوم با چالش‌های متعددی روبرو هستند، از جمله نیاز بالای به انرژی و دشواری در جدا کردن لیتیوم از سایر عناصر.
آب‌نمک‌های طبیعی—آب شور یافت شده در محیط‌های زمین‌گرمایی—به عنوان یک منبع جذاب برای لیتیوم پدیدار شده‌اند چون منابع سنگ معدن سنتی استخراج لیتیوم به طور فزاینده‌ای دشوار و پرهزینه می‌شود.
این آب‌نمک‌ها حاوی یون‌های دیگری مانند سدیم، پتاسیم، منیزیم و کلسیم هستند که خواص شیمیایی مشابهی با لیتیوم دارند و جداسازی کارآمد آن‌ها را به چالش می‌کشد.
شباهت در اندازه و بار یون‌ها میان لیتیوم و این یون‌های دیگر اغلب باعث می‌شود روش‌های جداسازی سنتی در دستیابی به گزینش‌گری بالا دچار مشکل شوند، که منجر به مصرف بیشتر انرژی و زباله شیمیایی اضافی می‌شود.
علاوه بر این، آب‌نمک‌ها غلظت بالایی از یون‌های کلرید دارند که می‌تواند در فرآیندهای الکتروشیمیایی سنتی گاز کلر خطرناک تولید کند و پیچیدگی و نگرانی‌های ایمنی بیشتر به فرآیند استخراج اضافه کند.
رآکتور الکتروشیمیایی
تیم مهندسی رایس این چالش‌ها را با رآکتور الکتروشیمیایی نوآورانه سه‌اتاقه‌ای که گزینش‌گری و کارایی استخراج لیتیوم را از آب‌نمک‌ها بهبود می‌بخشد، برطرف کرده است.
برخلاف روش‌های سنتی، این رآکتور جدید دارای اتاق میانی با محتوی الکترولیت جامد متخلخل است—مشابه بزرگراه‌های متصل به هم—که جریان یون را در حالی که آب‌نمک از آن عبور می‌کند کنترل می‌کند و در نتیجه واکنش‌های ناخواسته را جلوگیری می‌کند.
غشای تبادل کاتیون به عنوان مانعی برای یون‌های کلرید عمل می‌کند و مانع از رسیدن آن‌ها به ناحیه الکترود می‌شود که در آن می‌توانند برای تولید گاز کلر ترکیب شوند. بدین ترتیب، تولید محصولات جانبی خطرناک به حداقل می‌رسد.
جزء کلیدی که امکان استخراج لیتیوم بسیار گزینش‌گری را فراهم می‌کند، غشای سرامیک شیشه‌ای رسانای لیتیوم-یونی ویژه (LICGC) در سمت دیگر الکترولایزر است.
این غشا به طور گزینش‌گرانه لیتیوم را عبور می‌دهد در حالی که یون‌های دیگر را مسدود می‌کند.
رسانایی یونی بالا و گزینش‌گری غشای LICGC برای حفظ کارایی بسیار حیاتی است زیرا آن‌ها تداخل یون‌های دیگر موجود در آب‌نمک‌های طبیعی، مانند پتاسیم، منیزیم و کلسیم، را به شدت کاهش می‌دهند.
در حالی که غشاهای LICGC عموماً در باتری‌های لیتیوم-یونی حالت جامد استفاده می‌شوند، این کاربرد برای استخراج گزینش‌گرایانه لیتیوم نمایانگر استفاده‌ای نوآورانه و کارآمد از خواص ماده است.
۹۷/۵٪ لیتیوم خالص
این رآکتور به نتایج چشم‌گیری رسیده است، از جمله نرخی از خلوص لیتیوم معادل ۹۷/۵٪.
این سطح بالای خلوص به این معناست که راه‌اندازی می‌تواند به طور موثری لیتیوم را از سایر یون‌های موجود در آب‌نمک جدا کند که برای تولید هیدروکسید لیتیمی با کیفیت بالا، ماده‌ای مهم برای تولید باتری، حیاتی است.
علاوه بر این، طراحی جدید رآکتور تولید گاز کلر را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و فرآیند را ایمن‌تر و دوست‌دار محیط زیست می‌کند.
محققان بر این باورند که این می‌تواند تغییر مهمی برای استخراج لیتیوم از منابع دشواری مانند آب‌نمک‌های زمین‌گرمایی باشد.
یافته مهم دیگری به چالش‌های مربوط به پایداری رآکتور در طول زمان مرتبط است.
تیم مشاهده کرد که یون‌های سدیم، برخلاف پتاسیم، منیزیم یا کلسیم، تمایل به تجمع در سطح غشای LICGC دارند. این انباشت انتقال لیتیوم را مختل کرده و مصرف انرژی را افزایش می‌دهد.
اگرچه این انباشت می‌تواند بر کارایی استخراج لیتیوم تأثیر بگذارد، محققان استراتژی‌هایی برای کاهش این مشکل شناسایی کرده‌اند.
این استراتژی‌ها شامل کاهش سطح جریان هستند و پیشنهاد می‌کنند که تحقیقات آینده به بررسی روکش‌های سطحی یا پالس جریان برای بهینه‌سازی بیشتر رآکتور بپردازد.
این تحقیق نمایانگر گامی مهم به سوی تضمین یک منبع ثابت لیتیوم برای فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر با ارائه روشی پاک‌تر، کارآمدتر و شاید سریع‌تر برای استخراج لیتیوم از آب‌نمک‌های زمین‌گرمایی است.
