Nouvelle technique d'extraction révolutionne la production de lithium

Des chercheurs de Princeton ont développé une nouvelle technique d'extraction de lithium utilisant des fibres poreuses qui réduit considérablement le temps et la terre nécessaires à la production. Cette méthode respectueuse de l'environnement, qui sépare le lithium et le sodium par évaporation et capillarité, a le potentiel de révolutionner l'industrie des batteries. Crédit : Bumper DeJesus

Le lithium, un élément essentiel dans les batteries de véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie, offre des perspectives pour un avenir plus écologique. Cependant, sa production a des implications environnementales notables. L'extraction du lithium de l'eau salée requiert une quantité importante de terre et de temps, avec de grandes opérations s'étendant sur des dizaines de miles carrés et nécessitant souvent plus d'un an pour commencer la production.

Maintenant, des chercheurs de Princeton ont développé une technique d'extraction qui réduit considérablement la quantité de terre et de temps nécessaire à la production de lithium. Les chercheurs affirment que leur système peut améliorer la production dans les installations de lithium existantes et exploiter des sources auparavant considérées comme trop petites ou diluées pour être rentables.

Le cœur de la technique, décrite dans un article récemment publié dans la revue Nature Water, est un ensemble de fibres poreuses enroulées en cordes, que les chercheurs ont conçues avec un noyau hydrophile et une surface hydrophobe. Lorsque les extrémités sont plongées dans une solution d'eau salée, l'eau remonte le long des cordes par capillarité - le même processus que les arbres utilisent pour puiser l'eau des racines aux feuilles.

L'eau s'évapore rapidement de la surface de chaque corde, laissant derrière elle des ions de sel tels que le sodium et le lithium. À mesure que l'eau continue de s'évaporer, les sels deviennent de plus en plus concentrés et forment finalement des cristaux de chlorure de sodium et de chlorure de lithium sur les cordes, ce qui permet une récolte facile.

En plus de concentrer les sels, la technique provoque la cristallisation du lithium et du sodium à des endroits distincts le long de la corde en raison de leurs différentes propriétés physiques. Le sodium, avec une faible solubilité, cristallise sur la partie inférieure de la corde, tandis que les sels de lithium hautement solubles cristallisent près du sommet. La séparation naturelle a permis à l'équipe de collecter le lithium et le sodium individuellement, un exploit qui nécessite généralement l'utilisation de produits chimiques supplémentaires.

Une équipe de recherche de Princeton a développé une nouvelle approche pour concentrer, séparer et récolter les sels de lithium. Crédit : Bumper DeJesus

"Nous avons cherché à exploiter les processus fondamentaux d'évaporation et de capillarité pour concentrer, séparer et récolter le lithium", a déclaré Z. Jason Ren, professeur de génie civil et de génie de l'environnement à l'Andlinger Center for Energy and the Environment de Princeton et chef de l'équipe de recherche. "Nous n'avons pas besoin d'appliquer de produits chimiques supplémentaires, comme c'est le cas avec de nombreuses autres technologies d'extraction, et le processus permet d'économiser beaucoup d'eau par rapport aux approches d'évaporation traditionnelles."

Le manque de lithium est un obstacle à la transition vers une société à faible émission de carbone, a ajouté Ren. "Notre approche est bon marché, facile à utiliser et nécessite très peu d'énergie. C'est une solution respectueuse de l'environnement à un défi énergétique crucial."

L'extraction de la saumure conventionnelle consiste à construire une série de bassins d'évaporation pour concentrer le lithium à partir de marais salants, de lacs salés ou de nappes aquifères. Le processus peut prendre de plusieurs mois à quelques années. Les opérations ne sont commercialement viables que dans quelques endroits du monde qui ont une concentration de lithium initiale suffisamment élevée, une abondance de terres disponibles et un climat aride permettant de maximiser l'évaporation. Par exemple, il n'y a qu'une seule exploitation d'extraction de lithium à base de saumure active aux États-Unis, située au Nevada et couvrant plus de sept miles carrés.

La technique des cordes est beaucoup plus compacte et peut commencer à produire du lithium beaucoup plus rapidement. Bien que les chercheurs mettent en garde qu'il faudra encore du travail pour passer de leur technologie du laboratoire à une échelle industrielle, ils estiment qu'elle peut réduire la quantité de terre nécessaire de plus de 90% par rapport aux opérations actuelles et accélérer le processus d'évaporation de plus de 20 fois par rapport aux bassins d'évaporation traditionnels, ce qui permettrait d'obtenir les premières récoltes de lithium en moins d'un mois.

Des opérations compactes, peu coûteuses et rapides pourraient permettre d'accéder à de nouvelles sources de lithium, telles que les puits de pétrole et de gaz inutilisés et les saumures géothermiques, qui sont actuellement trop petits ou trop dilués pour l'extraction de lithium. Les chercheurs ont déclaré que le taux d'évaporation accéléré pourrait également permettre l'exploitation dans des climats plus humides. Ils étudient même si la technologie permettrait l'extraction de lithium de l'eau de mer.

“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.”