A medida que el mercado de vehículos eléctricos crece, la demanda de litio (el mineral necesario para las baterías de iones de litio) también se ha disparado. La producción mundial de litio se ha más que triplicado en la última década. Pero los métodos actuales para extraer litio de minerales o salmueras son lentos y conllevan altas demandas de energía y costos ambientales. También requieren fuentes de litio que, para empezar, están increíblemente concentradas y solo se encuentran en unos pocos países. Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker (PME) de la Universidad de Chicago han optimizado un nuevo método para extraer litio de fuentes más diluidas y generalizadas del mineral, incluida el agua de mar, el agua subterránea y el “agua de reflujo” que queda del fracking. y perforación petrolera en alta mar.
“En este momento existe una brecha entre la demanda de litio y la producción”, dijo Chong Liu, profesor asistente de ingeniería molecular de la familia Neubauer y autor principal del nuevo trabajo, publicado en Nature Communications. “Nuestro método permite la extracción eficiente del mineral a partir de líquidos muy diluidos, lo que puede ampliar enormemente las fuentes potenciales de litio”.
En la nueva investigación, Liu y sus colegas demostraron cómo ciertas partículas de fosfato de hierro pueden extraer litio de líquidos diluidos de manera más eficiente. Sus nuevos hallazgos podrían acelerar una era de extracción de litio más rápida y ecológica.
Litio a un costo
Hoy en día, la mayor parte del litio utilizado en las baterías de litio proviene de dos procesos de extracción básicos. Los minerales de litio se pueden extraer, triturar con maquinaria pesada y luego tratar con ácido para aislar el litio. Las piscinas de salmuera de litio, por otro lado, utilizan cantidades masivas de agua bombeadas a la superficie de la tierra y luego se evaporan (en el transcurso de más de un año) para producir litio seco.
“Para empezar, estos métodos no son particularmente respetuosos con el medio ambiente, y si empiezas a intentar trabajar con fuentes de litio menos concentradas, se volverán aún menos eficientes”, dijo Liu. “Si tienes una salmuera 10 veces más diluida, necesitarás 10 veces más agua salada para obtener la misma cantidad de litio”.
En los últimos años, el equipo de Liu ha encabezado un método completamente diferente para extraer litio de líquidos diluidos. Su enfoque aísla el litio en función de sus propiedades electroquímicas, utilizando redes cristalinas de fosfato de hierro de olivino. Debido a su tamaño, carga y reactividad, el litio es atraído hacia los espacios de las columnas de fosfato de hierro de olivino, como si se empapara agua en los agujeros de una esponja. Pero, si la columna está perfectamente diseñada, los iones de sodio, también presentes en líquidos salinos, quedan fuera o entran en el fosfato de hierro en un nivel mucho más bajo. En el nuevo trabajo, Liu y sus colegas, incluido el primer autor del nuevo artículo, Gangbin Yan, un estudiante graduado de PME, probaron cómo la variación en las partículas de fosfato de hierro de olivino afectaba su capacidad para aislar selectivamente el litio sobre el sodio.
“Cuando se produce fosfato de hierro, se pueden obtener partículas de tamaños y formas drásticamente diferentes”, explica Yan. “Para descubrir el mejor método de síntesis, necesitamos saber cuáles de esas partículas son más eficientes para seleccionar litio sobre sodio”.
Ni demasiado grande ni demasiado pequeño
El equipo de investigación sintetizó partículas de fosfato de hierro de olivino utilizando diferentes métodos, lo que dio como resultado una variedad de tamaños de partículas que abarcan entre 20 y 6.000 nanómetros. Luego, dividieron esas partículas en grupos según su tamaño y las usaron para construir electrodos que podrían extraer litio de una solución débil.
Descubrieron que cuando las partículas de fosfato de hierro eran demasiado grandes o demasiado pequeñas, tendían a dejar entrar más sodio en sus estructuras. Eso llevó a extracciones de litio menos puras.
“Resultó que había un punto óptimo en el medio donde tanto la cinética como la termodinámica favorecen al litio sobre el sodio”, dijo Liu.
Los hallazgos son vitales para hacer avanzar la extracción electroquímica de litio hacia un uso comercial. Sugieren que los investigadores deberían centrarse no sólo en producir fosfato de hierro de olivino, sino también en producir fosfato de hierro de olivino en el tamaño de partícula ideal.
“Tenemos que tener en cuenta este tamaño de partícula deseado cuando elegimos métodos de síntesis para ampliarlos”, dijo Liu. “Pero si podemos hacer esto, creemos que podemos desarrollar un método que reduzca el impacto ambiental de la producción de litio y asegure el suministro de litio en este país”.
Otros autores del artículo son Emory Apodaca, Suin Choi, Peter J. Eng, Joanne E. Stubbs, Yu Han, Siqi Zou, Mrinal K. Bera y Ronghui Wu de la Universidad de Chicago; Jialiang Wei y Wei Chen del Instituto de Tecnología de Illinois; y Evguenia Karapetrova y Hua Zhou del Laboratorio Nacional Argonne.
Fuente: Phys.org.
