El litio, un componente vital de las baterías en el corazón de los vehículos eléctricos y del almacenamiento de energía en la red, es clave para un futuro de energía limpia. Pero la producción de este metal blanco plateado conlleva importantes costes medioambientales. Entre ellos se encuentra la gran cantidad de tierra y tiempo necesarios para extraer litio de agua salada, con grandes operaciones que abarcan decenas de kilómetros cuadrados y que a menudo requieren más de un año para comenzar la producción.
Ahora, investigadores de Princeton han desarrollado una técnica de extracción que reduce drásticamente la cantidad de tierra y el tiempo necesarios para la producción de litio. Los investigadores dicen 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 valer la pena.
El núcleo de la técnica, descrita en Nature Water, es un conjunto de fibras porosas retorcidas en cuerdas, que los investigadores diseñaron para que tuvieran un núcleo amante del agua y una superficie repelente del agua. Cuando los extremos se sumergen en una solución de agua salada, el agua sube por las cuerdas mediante acción capilar, el mismo proceso que utilizan los árboles para extraer agua de las raíces a las hojas.
El agua se evapora rápidamente de la superficie de cada cuerda, dejando atrás iones de sal como sodio y litio. A medida que el agua continúa evaporándose, las sales se concentran cada vez más y eventualmente forman cristales de cloruro de sodio y cloruro de litio en las cuerdas, lo que permite una fácil recolección.
Además de concentrar las sales, la técnica hace que el litio y el sodio cristalicen en distintos lugares a lo largo de la cuerda debido a sus diferentes propiedades físicas. El sodio, de baja solubilidad, cristaliza en la parte inferior de la cuerda, 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, una hazaña que normalmente requiere el uso de productos químicos adicionales.
“Nuestro objetivo era aprovechar los procesos fundamentales de evaporación y acción capilar para concentrar, separar y recolectar litio”, dijo Z. Jason Ren, profesor de ingeniería civil y ambiental y del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente de Princeton y líder de el 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”.
El suministro limitado de litio es un obstáculo para la transición hacia una sociedad baja en carbono, añadió Ren. “Nuestro enfoque es barato, fácil de operar y requiere muy poca energía. Es una solución respetuosa con el medio ambiente para un desafío energético crítico”.
Un estanque de evaporación en una cuerda
La extracción de salmuera convencional implica la construcción de una serie de enormes estanques de evaporación para concentrar el litio de salinas, lagos salados o acuíferos subterráneos. El proceso puede llevar desde varios meses hasta algunos años. Las operaciones sólo son comercialmente viables en un puñado de lugares alrededor del mundo que tienen concentraciones iniciales de litio suficientemente altas, una abundancia de tierra disponible y un clima árido para maximizar la evaporación.
Por ejemplo, sólo hay una operación activa de extracción de litio a base de salmuera en los Estados Unidos, ubicada en Nevada y que cubre más de siete millas cuadradas. La técnica de las cuerdas es mucho más compacta y puede empezar a producir litio mucho más rápidamente. Aunque los investigadores advierten que se necesitará trabajo adicional para escalar su tecnología desde el laboratorio a una escala industrial, estiman que puede reducir la cantidad de tierra necesaria en más del 90% de las operaciones actuales y acelerar el proceso de evaporación en más de veinte veces en comparación con los estanques de evaporación tradicionales, lo que potencialmente produciría cosechas iniciales de litio en menos de un mes.
Las operaciones compactas, de bajo costo y rápidas podrían ampliar 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 demasiado diluidas para la extracción de litio. Los investigadores dijeron 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.
“Nuestro proceso es como poner un estanque de evaporación en una cuerda, lo que nos permite obtener cosechas de litio con una huella espacial significativamente reducida y con un control más preciso del proceso”, dijo Sunxiang (Sean) Zheng, coautor del estudio y ex Becario Postdoctoral Distinguido del Centro Andlinger. “Si se amplía, podemos abrir nuevas perspectivas para la extracción de litio respetuosa con el medio ambiente”.
Dado que los materiales para producir las cuerdas son baratos y la tecnología no requiere tratamientos químicos para funcionar, los investigadores dijeron que con mejoras adicionales, su enfoque sería un fuerte candidato para una adopción generalizada. En el artículo, los investigadores demostraron la potencial escalabilidad de su enfoque mediante la construcción de una serie de 100 cadenas de extracción de litio.
El equipo de Ren ya está desarrollando una segunda generación de la técnica que permitirá una mayor eficiencia, mayor rendimiento y más control sobre el proceso de cristalización. Él le da crédito a la Iniciativa de Catálisis de Princeton por brindar un apoyo inicial crítico para permitir colaboraciones de investigación creativas. Además, su equipo recibió recientemente un premio NSF Partnerships for Innovation y un premio del Fondo Acelerador de Propiedad Intelectual (IP) de Princeton para apoyar el proceso de investigación y desarrollo, incluidas formas de modificar el enfoque para extraer otros minerales críticos además del litio.
Zheng lidera el lanzamiento de una startup, PureLi Inc., para comenzar el proceso de refinar la tecnología y eventualmente llevarla al mercado más amplio. Zheng fue seleccionado como uno de los cuatro investigadores en la cohorte inaugural de Emprendedores START en Princeton, una beca académica y aceleradora de startups diseñada para fomentar el emprendimiento inclusivo.
“Como investigador, usted sabe de primera mano que muchas tecnologías nuevas son demasiado caras o difíciles de escalar”, dijo Zheng. “Pero estamos muy entusiasmados con este y, con algunas mejoras adicionales de eficiencia, creemos que tiene un potencial increíble para tener un impacto real en el mundo”.
Fuente: Tech Xplore.
