Naarmate industrieën in het hele land beginnen met de overgang naar hernieuwbare energie, zal de vraag naar batterijen, en dus lithium, naar verwachting dramatisch stijgen. Maar aangezien een groot deel van de wereldwijde lithiumvoorraad zich buiten de Verenigde Staten bevindt, zoeken onderzoekers naar nieuwe technieken om het te winnen uit lokale, zij het enigszins onconventionele, bronnen zoals petroleumafvalwater en geothermische pekel.

Een van de meest veelbelovende van deze extractietechnieken is elektrochemische intercalatie, een proces waarbij elektroden lithium onttrekken aan anders onbruikbaar water. Tot voor kort had de technologie niet het gewenste niveau van Li-selectiviteit bereikt voor extreem verdunde waterbronnen.

Nu hebben onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago aangetoond dat het "zaaien" van elektroden met lithiumionen kan helpen de lithiumselectiviteit van de gastheer te verhogen en ongewenste elementen af ​​te weren. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications .

Een materieel onderscheid

In de chemie is intercalatie het proces waarbij 'gast'-ionen worden gezogen in en opgeslagen in een 'gastheer'-materiaal, waarbij het laatste fungeert als een soort moleculaire bijenkorf. Het proces is ook omkeerbaar, wat betekent dat diezelfde ionen kunnen worden geëxtraheerd en het proces keer op keer kan worden herhaald. Het is het belangrijkste mechanisme achter oplaadbare batterijen.

Bij gebruik voor lithiumextractie is elektrochemische intercalatie afhankelijk van een gastheermateriaal - in dit geval olivijnijzerfosfaat (een soort kristal) - dat bijzonder goed geschikt is om lithiumionen aan te trekken en op te slaan. Hoewel veel bestudeerd en een van de meest geschikte materialen voor de klus, is olivijn-ijzerfosfaat verre van perfect. Concurrerende ionen worden vaak samen met lithium, elementen zoals natrium, in het gastheermateriaal gezogen, wat de effectiviteit van het systeem vermindert.

Liu en haar team wilden begrijpen wat deze co-intercalaties veroorzaakte en wat er gebeurde toen de twee ionen eenmaal in het kristal waren opgeslagen.

In samenwerking met onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign, gebruikten Liu en haar team transmissie-elektronenmicroscopie om in hun gastheermateriaal te kijken. Ze ontdekten dat lithium en natrium de neiging hadden om te scheiden wanneer ze de kans kregen. Dit suggereerde dat lithium- en natriumionen elkaar in het kristalmateriaal afstoten, net zoals olie en water zich scheiden wanneer ze worden gemengd, een proces dat fasescheiding wordt genoemd.

Om dat gedrag te bevestigen, ontwikkelde het team computermodellen in samenwerking met onderzoekers van het Illinois Institute of Technology.

"Het was opmerkelijk om deze ionen in twee verschillende domeinen te zien scheiden, waarbij één domein alleen lithium was en één alleen natrium," zei Liu. "We vroegen ons af hoe we het konden gebruiken om de lithiumselectiviteit te vergroten."

Het zaad van onderzoek zaaien

Op basis van hun bevindingen bedachten Liu en haar team een ​​systeem om hun olivijngastheer vooraf met lithium te zaaien. Ze gingen ervan uit dat dit de energiebarrière voor natriumionen zou verhogen, waardoor het moeilijker zou worden voor ongewenste elementen om de gastheer binnen te komen.

Ze ontdekten dat het zaaien van 20 tot 40 procent van de totale opslagplaatsen van het gastheermateriaal de selectiviteit kan verhogen tot respectievelijk 1,6- en 3,8-voudig. De gezaaide fasen met een hoog Li-vaste stof vertoonden een sterke correlatie met de selectiviteitsverbetering.

Het team merkte ook op dat verschillende factoren, waaronder de gastheermorfologie en defecten, hebben bijgedragen aan de lithiumselectiviteit, wat verschillende mogelijkheden biedt voor verder onderzoek. Toekomstige studies zullen de ideale zaaiomstandigheden en gastheermorfologie onderzoeken om de lithiumselectiviteit te maximaliseren.

"We hebben een effectieve manier aangetoond om de kinetische route in een gastheermateriaal te manipuleren," zei Liu. "Als je de lithium-natriumroute kunt beheersen, heb je een krachtige hefboom om de lithiumselectiviteit te beïnvloeden. Dat besef opent een deur voor meer onderzoek en uiteindelijk een duurzaam systeem voor het extraheren van lithium." + Verder verkennen

Opkomende technologie kan helpen lithium uit nieuwe bronnen te halen