Nueva técnica de extracción revoluciona la producción de litio.

Investigadores de Princeton han desarrollado una nueva técnica de extracción de litio utilizando fibras porosas que reduce significativamente el tiempo y la tierra requerida para la producción. Este método respetuoso con el medio ambiente, que separa el litio y el sodio mediante evaporación y capilaridad, tiene el potencial de revolucionar la industria de las baterías. Crédito: Bumper DeJesus

El litio, un elemento esencial en las baterías de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía, ofrece promesas para un futuro más verde. Sin embargo, su producción tiene importantes implicaciones ambientales. Extraer litio del agua salada requiere una gran extensión de terreno y tiempo, con operaciones grandes que pueden llegar a abarcar docenas de millas cuadradas y que a menudo requieren más de un año para comenzar la producción.

Ahora, los investigadores de Princeton han desarrollado una técnica de extracción que reduce la cantidad de terreno y tiempo necesarios para la producción de litio. Los investigadores afirman que su sistema puede mejorar la producción en las instalaciones de litio existentes y desbloquear fuentes que antes se consideraban demasiado pequeñas o diluidas para ser rentables.

El núcleo de la técnica, descrita en un artículo publicado recientemente en Nature Water, son un conjunto de fibras porosas enrolladas en hilos, que los investigadores diseñaron para tener un núcleo que ama el agua y una superficie que la repele. Cuando los extremos se sumergen en una solución de agua salada, el agua viaja por los hilos a través de la capilaridad, el mismo proceso que los árboles utilizan para extraer agua desde las raíces hasta las hojas.

El agua se evapora rápidamente de la superficie de cada hilo, dejando atrás iones de sal como el sodio y el litio. A medida que el agua continúa evaporándose, las sales se concentran cada vez más y finalmente forman cristales de cloruro de sodio y cloruro de litio en los hilos, lo que permite una fácil recolección.

Además de concentrar las sales, la técnica hace que el litio y el sodio cristalicen en ubicaciones distintas a lo largo del hilo debido a sus diferentes propiedades físicas. El sodio, con baja solubilidad, cristaliza en la parte inferior del hilo, mientras que las sales de litio altamente solubles cristalizan cerca de la parte superior. La separación natural permitió al equipo recolectar litio y sodio individualmente, hazaña que generalmente requiere el uso de productos químicos adicionales.

Un equipo de investigación de Princeton ha desarrollado un nuevo enfoque para concentrar, separar y recolectar sales de litio. Crédito: Bumper DeJesus

"Nuestro objetivo era aprovechar los procesos fundamentales de evaporación y capilaridad para concentrar, separar y recolectar litio", dijo Z. Jason Ren, profesor de ingeniería civil y medioambiental y del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente de Princeton y líder del equipo de investigación. "No necesitamos aplicar productos químicos adicionales, como ocurre con muchas otras tecnologías de extracción, y el proceso ahorra mucha agua en comparación con los enfoques tradicionales de evaporación".

La limitada oferta de litio es un obstáculo para la transición hacia una sociedad baja en carbono, agregó Ren. "Nuestra técnica es económica, fácil de operar y requiere muy poca energía. Es una solución respetuosa con el medio ambiente para un desafío energético crítico".

La extracción de salmuera convencional implica construir una serie de grandes estanques de evaporación para concentrar el litio de salares, lagos salados o acuíferos subterráneos. El proceso puede llevar desde varios meses hasta unos pocos años. Las operaciones solo son viables comercialmente en un puñado de ubicaciones en todo el mundo que tienen concentraciones iniciales de litio lo suficientemente altas, una abundancia de tierra disponible y un clima árido para maximizar la evaporación. Por ejemplo, solo hay una operación activa de extracción de litio basada en salmuera en los Estados Unidos, ubicada en Nevada y que abarca más de siete millas cuadradas.

La técnica de hilos es mucho más compacta y puede comenzar a producir litio mucho más rápidamente. Aunque los investigadores advierten que será necesario trabajar más para llevar su tecnología del laboratorio a una escala industrial, estiman que puede reducir la cantidad de tierra necesaria en más del 90 por ciento de las operaciones actuales y acelerar el proceso de evaporación más de 20 veces en comparación con los estanques de evaporación tradicionales, lo que podría permitir obtener cosechas iniciales de litio en menos de un mes.

Operaciones compactas, de bajo costo y rápidas podrían expandir el acceso para incluir nuevas fuentes de litio, como pozos de petróleo y gas en desuso y salmueras geotérmicas, que actualmente son demasiado pequeñas o diluidas para la extracción de litio. Los investigadores señalaron que la tasa de evaporación acelerada también podría permitir la operación en climas más húmedos. Incluso están investigando si la tecnología permitiría la extracción de litio del agua de mar.

“Our process is like putting an evaporation pond on a string, allowing us to obtain lithium harvests with a significantly reduced spatial footprint and with more precise control of the process,” said Sunxiang (Sean) Zheng, study co-author and former Andlinger Center Distinguished Postdoctoral Fellow. “If scaled, we may open up new vistas for environmentally friendly lithium extraction.”

Since the materials to produce the strings are cheap and the technology does not require chemical treatments to operate, the researchers said that with additional enhancements, their approach would be a strong candidate for widespread adoption. In the paper, the researchers demonstrated the potential scalability of their approach by constructing an array of 100 lithium-extracting strings.

Ren’s team is already developing a second generation of the technique that will enable greater efficiency, higher throughput, and more control over the crystallization process. He credits the Princeton Catalysis Initiative for providing critical initial support to enable creative research collaborations. Additionally, his team recently received an NSF Partnerships for Innovation Award and an award from Princeton’s Intellectual Property (IP) Accelerator Fund to support the research and development process, including ways to modify the approach to extract other critical minerals in addition to lithium. Together with Kelsey Hatzell, assistant professor of mechanical and aerospace engineering and the Andlinger Center for Energy and the Environment, Ren also received seed funding from the Princeton Center for Complex Materials to better understand the crystallization process.

Zheng is leading the launch of a startup, PureLi Inc., to begin the process of refining the technology and eventually bringing it to the wider marketplace. Zheng was selected as one of four researchers in the inaugural START Entrepreneurs cohort at Princeton, an academic fellowship and startup accelerator designed to foster inclusive entrepreneurship.

“As a researcher, you know firsthand that many new technologies are too expensive or difficult to scale,” Zheng said. “But we are very excited about this one, and with some additional efficiency improvements, we think it has incredible potential to make a real impact on the world.”