Литий. Хотя это и не «пряность» из «Дюны», этот серебристый, реакционноспособный металл является чрезвычайно ценным средством для хранения электроэнергии, а значит, ключевым инструментом для перехода от разрушительного для климата потребления углеводородного топлива к экономике, преобразующей мир, и будущему зеленой энергетики.
В настоящее время около 87% мирового спроса на литий приходится на производство перезаряжаемых батарей для электросетей, транспортных средств и электроники, включая ноутбуки и мобильные телефоны. Но его другие свойства также имеют решающее значение, в том числе, как сообщает Министерство природных ресурсов Канады, повышение «долговечности, коррозионной стойкости и термостойкости изделий из стекла, используемых в стеклокерамических плитах, стеклянной посуде, специальном стекле и стекловолокне. Его свойства повышают производительность и снижают энергопотребление в стекольном производстве».
Итак, если мы так сильно жаждем лития, зачем нам обращать внимание на эту черную массу?
«Черная масса» — это не просто название хэви-метал альбома. Это порошкообразная смесь различных материалов из литий-ионных батарей, образующаяся в процессе переработки. Потому что, как сообщает «Бюллетень атомных ученых» , добыча лития не только финансово затратна, но и экологически разрушительна, поэтому миру необходимо извлекать как можно больше использованного лития из разряженных батарей.
Проблема в том, что до сих пор это было сложно, требовалось использование кислоты или энергоемкая плавка при сверхвысоких температурах. Именно поэтому так важен новый подход, разработанный в Университете Райса в Хьюстоне. В своей статье в журнале Joule под названием «Прямое электрохимическое извлечение лития из отработанного катода литий-ионной батареи для получения высокочистого гидроксида лития» ведущий автор Юге Фэн и его коллеги рассказывают о том, как они разработали новый, более чистый и эффективный электрохимический подход к извлечению лития.
«Вместо того чтобы сжигать или растворять черную массу, — пишут они, — мы, по сути, „перезаряжаем“ катодные материалы внутри нее, заставляя их высвобождать [литий]. Сочетая эту реакцию с простыми процессами, такими как расщепление воды, мы можем напрямую производить [гидроксид лития] — высокочистое соединение, которое можно использовать для производства новых батарей. Для этого процесса требуется только электричество, вода и сами отходы батарей, без использования агрессивных химикатов».
Юге Фэн, первый автор статьи по данному исследованию и аспирант Университета Райса. Хорхе Видаль/Университет Райса.
Метод, разработанный командой из Университета Райса, настолько эффективен, что в экспериментах позволил получить гидроксид лития с чистотой более 99%, а также настолько энергоэффективен, что стабильно работал более тысячи часов подряд, перерабатывая более 50 г черной массы.
Итак, что же привело к появлению инновационного подхода к извлечению лития?
«Мы задали простой вопрос, — говорит Сибани Лиза Бисвал, один из авторов исследования. — Если зарядка батареи извлекает литий из катода, почему бы не использовать ту же реакцию для переработки?»
Работа батареи основана на удалении ионов лития с катода (электрода, принимающего электроны и, таким образом, восстанавливающего заряд). В начале реакции в системе Райса ионы лития мигрируют через тонкую катионообменную мембрану (слой сшитых полимерных цепей, снабженных отрицательно заряженными группами) в поток воды. Затем простая реакция расщепления воды на вспомогательном электроде генерирует гидроксид, который соединяется с литием, образуя гидроксид лития.
«Сочетая этот химический процесс с компактным электрохимическим реактором, мы можем чисто отделять литий и производить именно ту соль, которая нужна производителям», — говорит Бисуол, заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса и профессор химической инженерии имени Уильяма М. Маккарделла.
Электрохимическая ячейка, установленная в лаборатории Университета Райса. Хорхе Видаль/Университет Райса.
Ранее New Atlas сообщал о быстрой и недорогой прямой добыче лития, которая может предотвратить кризисы поставок, а также о сверхбыстрой роботизированной системе для разборки батарей электромобилей с целью извлечения лития, кобальта и металлических фольг. Подход, предложенный в Университете Райса, представляет собой дальнейшее развитие, поскольку он работает с литий-железо-фосфатными, литий-марганцево-оксидными, никель-марганцево-кобальтовыми и другими химическими вариантами батарей.
Как отмечает один из соавторов статьи, Хаотянь Ван, «непосредственное производство высокочистого гидроксида лития сокращает путь обратно к созданию новых батарей», что «означает меньшее количество технологических этапов, меньший объем отходов и более устойчивую цепочку поставок». Ван также является доцентом кафедры химической и биомолекулярной инженерии.
«Мы сделали добычу лития более экологичной и простой», что позволило сократить потребление энергии и выбросы, говорит Бишвал. «Теперь мы четко видим следующее узкое место. Решите проблему концентрации, и вы откроете для себя еще большую устойчивость».
