Nuova tecnica di estrazione rivoluziona la produzione di litio

Un team di ricercatori di Princeton ha sviluppato una nuova tecnica di estrazione del litio utilizzando fibre porose che riduce significativamente il tempo e il terreno necessari per la produzione. Questo metodo ecologico, che separa il litio e il sodio utilizzando l'evaporazione e l'azione capillare, ha il potenziale per rivoluzionare l'industria delle batterie. Credito: Bumper DeJesus

Il litio, un elemento essenziale nelle batterie per veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo di energia, promette un futuro più verde. Tuttavia, la sua produzione comporta notevoli implicazioni ambientali. L'estrazione del litio dall'acqua salata richiede terreni e tempi considerevoli, con grandi impianti che coprono diverse miglia quadrate e spesso richiedono più di un anno per avviare la produzione.

Ora, i ricercatori di Princeton hanno sviluppato una tecnica di estrazione che riduce la quantità di terreno e tempo necessari per la produzione del litio. Secondo i ricercatori, il loro sistema può migliorare la produzione negli impianti di litio esistenti e sbloccare fonti precedentemente considerate troppo piccole o diluite per valerne la pena.

Il cuore della tecnica, descritta in un articolo pubblicato di recente su Nature Water, è costituito da una serie di fibre porose attorcigliate in corde, che i ricercatori hanno progettato con un nucleo idrofilo e una superficie idrorepellente. Quando le estremità vengono immerse in una soluzione di acqua salata, l'acqua si sposta lungo le corde attraverso l'azione capillare - lo stesso processo che gli alberi utilizzano per assorbire acqua dalle radici alle foglie.

L'acqua si evapora rapidamente dalla superficie di ogni corda, lasciando dietro di sé ioni di sale come sodio e litio. Man mano che l'acqua continua a evaporare, i sali diventano sempre più concentrati e alla fine si formano cristalli di cloruro di sodio e cloruro di litio sulle corde, permettendo un'agevole raccolta.

Oltre a concentrare i sali, la tecnica fa sì che il litio e il sodio cristallizzino in posizioni distinte lungo la corda a causa delle loro diverse proprietà fisiche. Il sodio, con bassa solubilità, cristallizza nella parte inferiore della corda, mentre i sali di litio altamente solubili cristallizzano vicino alla cima. La separazione naturale ha permesso al team di raccogliere litio e sodio individualmente, una cosa che di solito richiede l'uso di prodotti chimici aggiuntivi.

Un team di ricerca di Princeton ha sviluppato un nuovo approccio per concentrare, separare e raccogliere sali di litio. Credito: Bumper DeJesus

"Abbiamo cercato di sfruttare i processi fondamentali dell'evaporazione e dell'azione capillare per concentrare, separare e raccogliere il litio", ha detto Z. Jason Ren, professore di ingegneria civile e ambientale e del Andlinger Center for Energy and the Environment a Princeton e leader del team di ricerca. "Non abbiamo bisogno di applicare prodotti chimici aggiuntivi, come accade con molte altre tecnologie di estrazione, e il processo consente di risparmiare molta acqua rispetto ai tradizionali approcci di evaporazione."

L'approvvigionamento limitato di litio è un ostacolo alla transizione verso una società a basso tenore di carbonio, ha aggiunto Ren. "Il nostro approccio è economico, facile da operare e richiede molto poco energia. È una soluzione ecologica per una sfida energetica critica."

L'estrazione convenzionale di salamoia prevede la costruzione di una serie di enormi lagune di evaporazione per concentrare il litio da bacini di sale, laghi salati o falde acquifere sotterranee. Il processo può richiedere da alcuni mesi a qualche anno. Le operazioni sono commercialmente vantaggiose solo in poche località del mondo che hanno concentrazioni di litio iniziali sufficientemente alte, disponibilità di terreno e un clima arido per massimizzare l'evaporazione. Ad esempio, negli Stati Uniti esiste solo un impianto attivo di estrazione di litio da salamoia, situato nel Nevada e che copre oltre sette miglia quadrate.

La tecnica con le corde è molto più compatta e può iniziare a produrre litio molto più rapidamente. Sebbene i ricercatori mettano in guardia sul fatto che sarà necessario ulteriore lavoro per scalare la loro tecnologia dal laboratorio a scala industriale, stimano che possa ridurre la quantità di terreno necessario di oltre il 90% rispetto alle operazioni attuali e accelerare il processo di evaporazione di oltre 20 volte rispetto alle lagune di evaporazione tradizionali, consentendo potenzialmente di ottenere le prime raccolte di litio in meno di un mese.

Operazioni compatte, a basso costo e rapide potrebbero aumentare l'accesso a nuove fonti di litio, come pozzi di petrolio e gas dismessi e salamoie geotermiche, attualmente troppo piccole o troppo diluite per l'estrazione di litio. I ricercatori hanno affermato che il tasso di evaporazione accelerato potrebbe anche permettere l'operatività in climi più umidi. Stanno addirittura studiando se la tecnologia consenta l'estrazione di litio dall'acqua di mare.

“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.”