Литий - главный компонент большинства современных аккумуляторов. К сожалению, добыча этого металла - чрезвычайно грязный и сложный процесс. Но теперь ученые разработали более чистую и дешевую альтернативу.
Прорыв в сфере добычи лития был совершен в Центре инноваций в области критических материалов (CMI) при поддержке Национальной лаборатории им. Эймса Министерства энергетики США.
Ученые использовали малоизвестную область химии - механохимию - для того, чтобы отказаться от традиционных методов запуска химических реакций. В основе механохимии лежит воздействие механических сил на твердые вещества: их перемешивание, дробление и измельчение. Благодаря этому реакции происходят без применения экстремальных температур или агрессивных химикатов. Новый метод получил название механохимической экстракции лития при низких температурах (MELLT).
Баланс между спросом и экологичностью
Литий - важнейший компонент современных аккумуляторов, питающих наши смартфоны, гаджеты и электромобили. Однако добыча этого элемента связана с серьезными рисками.
По мере роста популярности электромобилей растет и спрос на литий. Существует два основных способа его добычи: из рассолов (концентрированных соленых подземных вод с высоким содержанием лития) и твердых пород, таких как сподумен. Добыча из рассолов с использованием солнечного испарения экономически выгодна, но занимает много времени (от 12 до 24 месяцев).
В то же время, традиционный метод извлечения лития из сподумена энергозатратен, приводит к выбросам парниковых газов и образованию опасных отходов. Он предусматривает двукратный обжиг руды - сначала при экстремально высоких температурах (1050°C), затем при более низкой температуре (около 250°C) с добавлением химикатов для получения водорастворимого литиевого соединения. Хотя этот метод позволяет получить более качественный продукт по сравнению с рассолами, его воздействие на окружающую среду значительно.
Оба традиционных метода создают трудности в условиях высокого спроса. Добыча из рассолов медленная, а традиционная переработка твердых пород минералов требует чрезмерного расхода энергии и приводит к образованию вредных побочных продуктов. Кроме того, переработка рассолов требует большого количества пресной воды, что еще больше истощает ресурсы.
Как работает механохимия?
Чтобы преодолеть эти ограничения и создать более эффективный процесс, ученые обратились к механохимии. По их словам, это недооцененная методика в области методов экстракции. Хотя она обычно используется для измельчения материалов или смешивания реагентов, ее применение для ускорения химических реакций является инновационным.
Химические реакции требуют энергии, которая может поступать в различных формах, таких как тепло, свет или электричество. В механохимии движущей силой является механическое воздействие. Механические силы создают структурные дефекты на поверхности твердых материалов. Эти дефекты действуют как реакционные центры, ускоряя и облегчая химические реакции.
Используя этот принцип, ученые разработали метод MELLT. Он заключается в том, что куски твердого сподумена и твердый реагент, такой как карбонат натрия (Na2CO3), помещаются в камеру со стальными шариками. Камера совершает различные движения, подвергая материалы воздействию быстрых и повторяющихся сил сдвига и удара. Это постоянное напряжение в конечном итоге приводит к созданию высокоэнергетических состояний внутри химических веществ, вызывая реакции, которые приводят к образованию водорастворимых литиевых соединений. Затем эти соединения извлекаются с помощью простой промывки водой.
Преимущества MELLT
MELLT предлагает оптимизированный подход к добыче лития из твердых пород, значительно снижая энергопотребление и устраняя потоки токсичных отходов. Кроме того, этот метод отличается гораздо более быстрым временем обработки по сравнению с методами экстракции из рассолов.
Его основные преимущества:
- Снижение энергопотребления: MELLT требует меньше энергии, чем традиционные методы, что приводит к сокращению выбросов парниковых газов и снижению воздействия на окружающую среду.
- Устранение токсичных отходов: MELLT не использует агрессивные химикаты или высокотемпературную обработку, что приводит к значительному сокращению образования опасных отходов.
- Ускоренная обработка: MELLT позволяет извлекать литий из сподумена в течение нескольких часов, что в разы быстрее, чем традиционные методы, основанные на рассолах.
- Экономическая эффективность: Сочетание снижения энергопотребления, сокращения отходов и ускоренной обработки делает MELLT более экономичным решением для добычи лития.
По мнению ученых, MELLT имеет потенциал стать революционным методом добычи лития, который приведет к удешевлению всех аккумуляторов на рынке. В данный момент MELLT находится на стадии разработки и пилотного тестирования. Исследователи работают над совершенствованием технологии и оптимизацией процесса.
