Lithium is een essentieel element in de batterijen die elektrische voertuigen aandrijven, maar de stijgende vraag naar lithium zal naar verwachting de reserves op het land tegen 2080 uitputten. KAUST-onderzoekers hebben nu een economisch levensvatbaar systeem ontwikkeld dat zeer zuiver lithium uit zeewater kan halen.

De oceanen bevatten ongeveer 5, 000 keer meer lithium dan het land, maar in extreem lage concentraties van ongeveer 0,2 delen per miljoen (ppm). grotere ionen, inclusief natrium, magnesium en kalium, zijn allemaal in veel hogere concentraties in zeewater aanwezig; echter, eerdere onderzoeksinspanningen om lithium uit dit mengsel te plagen hebben weinig opgeleverd.

Het KAUST-team loste dit probleem op met een elektrochemische cel met een keramisch membraan gemaakt van lithiumlanthaan-titaanoxide (LLTO). De kristalstructuur bevat gaten die net breed genoeg zijn om lithiumionen door te laten en grotere metaalionen te blokkeren. "LLTO-membranen zijn nog nooit eerder gebruikt om lithiumionen te extraheren en te concentreren, " zegt postdoc Zhen Li, die de cel heeft ontwikkeld.

De cel bevat drie compartimenten. Zeewater stroomt in een centrale toevoerkamer, waar positieve lithiumionen door het LLTO-membraan gaan in een zijcompartiment dat een bufferoplossing en een koperen kathode gecoat met platina en ruthenium bevat. In de tussentijd, negatieve ionen verlaten de voedingskamer via een standaard anionenuitwisselingsmembraan, passerend in een derde compartiment dat een natriumchloride-oplossing en een platina-rutheniumanode bevat.

De onderzoekers testten het systeem met zeewater uit de Rode Zee. Bij een spanning van 3,25V, de cel genereert waterstofgas aan de kathode en chloorgas aan de anode. Dit stimuleert het transport van lithium door het LLTO-membraan, waar het zich ophoopt in de zijkamer. Dit met lithium verrijkte water wordt vervolgens de grondstof voor nog vier verwerkingscycli, uiteindelijk een concentratie bereiken van meer dan 9, 000 dpm. Het aanpassen van de pH van deze oplossing levert vast lithiumfosfaat op dat slechts sporen van andere metaalionen bevat - zuiver genoeg om aan de eisen van batterijfabrikanten te voldoen.

De onderzoekers schatten dat de cel slechts $ 5 aan elektriciteit nodig zou hebben om 1 kilogram lithium uit zeewater te halen. De waarde van waterstof en chloor geproduceerd door de cel zou deze kosten ruimschoots compenseren, en resterend zeewater zou ook in ontziltingsinstallaties kunnen worden gebruikt om zoet water te leveren.

"We zullen doorgaan met het optimaliseren van de membraanstructuur en het celontwerp om de procesefficiëntie te verbeteren, ", zegt groepsleider Zhiping Lai. Zijn team hoopt ook samen te werken met de glasindustrie om het LLTO-membraan op grote schaal en tegen betaalbare kosten te produceren.