Schema che mostra che la creazione di fasi in soluzione solida di Li nell'olivina ferro fosfato tramite semina può aumentare la barriera di intercalazione di Na e promuovere la selettività del Li. Credito:per gentile concessione di Liu Group
Mentre le industrie in tutto il paese iniziano la transizione verso le energie rinnovabili, si prevede che la domanda di batterie, e quindi di litio, aumenterà notevolmente. Ma, con gran parte della fornitura globale di litio situata al di fuori degli Stati Uniti, i ricercatori sono alla ricerca di nuove tecniche per estrarlo da fonti locali, anche se in qualche modo non convenzionali, come le acque reflue del petrolio e le salamoie geotermiche.
Una delle più promettenti di queste tecniche di estrazione è l'intercalazione elettrochimica, un processo in cui gli elettrodi prelevano il litio da acqua altrimenti inutilizzabile. Fino a poco tempo, la tecnologia non aveva raggiunto il livello desiderato di selettività Li per risorse idriche estremamente diluite.
Ora, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno dimostrato che gli elettrodi di "semina" con ioni di litio possono aiutare ad aumentare la selettività del litio dell'ospite e respingere gli elementi indesiderati. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Communications .
Una distinzione materiale
In chimica, l'intercalazione è il processo mediante il quale gli ioni "ospite" vengono attirati e immagazzinati all'interno di un materiale "ospite", quest'ultimo che agisce come una sorta di alveare molecolare. Il processo è anche reversibile, il che significa che quegli stessi ioni possono essere estratti e il processo ripetuto più e più volte. È il meccanismo chiave dietro le batterie ricaricabili.
Quando viene utilizzata per l'estrazione del litio, l'intercalazione elettrochimica si basa su un materiale ospite, in questo caso l'olivina ferro fosfato (un tipo di cristallo), che è particolarmente adatto per attrarre e immagazzinare ioni di litio. Sebbene ampiamente studiato e uno dei materiali più adatti per il lavoro, l'olivina ferro fosfato è tutt'altro che perfetto. Gli ioni concorrenti vengono spesso assorbiti nel materiale ospite insieme al litio, elementi come il sodio, che riducono l'efficacia del sistema.
Liu e il suo team volevano capire cosa guidasse queste co-intercalazioni e cosa è successo una volta che i due ioni sono stati immagazzinati all'interno del cristallo.
Per recuperare il litio non utilizzato dalle acque reflue di petrolio e gas, l'Asst. La prof.ssa Chong Liu (a destra) e il suo team riprogettano i materiali a livello molecolare. Credito:foto di John Zich
Lavorando con i ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, Liu e il suo team hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione per esaminare il materiale che li ospita. Hanno scoperto che il litio e il sodio tendevano a separarsi quando ne aveva la possibilità. Ciò ha suggerito che gli ioni di litio e di sodio si respingono a vicenda all'interno del materiale cristallino, più o meno allo stesso modo in cui olio e acqua si separano quando vengono miscelati, un processo chiamato separazione di fase.
Per confermare tale comportamento, il team ha sviluppato modelli computazionali in collaborazione con i ricercatori dell'Illinois Institute of Technology.
"È stato straordinario vedere queste fasi di ioni separate in due domini diversi in cui un dominio era solo litio e uno era solo sodio", ha detto Liu. "Ci ha chiesto come potremmo usarlo per aumentare la selettività del litio."
Semina i semi della ricerca
Agendo in base alle loro scoperte, Liu e il suo team hanno ideato un sistema per pre-seminare il loro ospite di olivina con il litio. Hanno teorizzato che ciò aumenterebbe la barriera energetica per gli ioni di sodio, rendendo più difficile l'ingresso di elementi indesiderati nell'ospite.
Hanno scoperto che il seeding dal 20 al 40 percento dei siti di stoccaggio dei materiali ospiti complessivi può aumentare la selettività rispettivamente a 1,6 volte e 3,8 volte. Le fasi della soluzione solida ad alto contenuto di Li seminate hanno mostrato una forte correlazione con il miglioramento della selettività.
Il team ha anche osservato che diversi fattori, tra cui la morfologia e i difetti dell'ospite, hanno contribuito alla selettività del litio, offrendo diverse strade per ulteriori ricerche. Studi futuri studieranno le condizioni di semina ideali e la morfologia dell'ospite per massimizzare la selettività del litio.
"Abbiamo dimostrato un modo efficace per manipolare il percorso cinetico in un materiale ospite", ha detto Liu. "Se puoi controllare il percorso del litio-sodio, hai una potente leva per influenzare la selettività del litio. Questa consapevolezza apre una porta per ulteriori studi e, in definitiva, un sistema sostenibile per l'estrazione del litio". + Esplora ulteriormente
