Літій є обмеженим ресурсом, і чим більше ми закриваємо всередині акумуляторних батарей, тим менше нам доведеться використовувати. Новий швидкий метод звільнення елемента від таких джерел може змінити гру з точки зору доступності матеріалу. Завдяки нашому сучасному способу придбання всього, що перезаряджається, включно з автомобілями, попит на літій-іонні батареї, які живлять більшість наших споживчих технологій, різко зріс. Очікується, що ринок літій-іонних батарей, який зараз оцінюється приблизно в 65 мільярдів доларів, зросте на 23% протягом наступних восьми років.
Як відносно легкий матеріал зі здатністю накопичувати багато енергії, цінність літію очевидна. Але видобуток цього елемента може бути руйнівним для навколишнього середовища, а геополітичні проблеми в деяких регіонах, де його багато, можуть загрожувати ланцюгам поставок. Крім того, ми раніше повідомляли, що є прогнози, згідно з якими поточні літієві шахти зможуть виробляти лише половину того, що необхідно для задоволення попиту до 2030 року .
Беручи до уваги ці фактори, важливо або знайти способи виробництва технологій безлітієвих акумуляторів, шукати нові методи та джерела його вилучення або знайти способи переробки літію, що зберігається у використаних акумуляторах. Проте переробка літію може зайняти багато часу, використовувати агресивні хімікати та призвести до відновлення менше 5% від загальної кількості початково використаного елемента.
Розстрілювати його
Тому дослідники з Університету Райса знайшли краще рішення. Вони почали з використання хімічних речовин, відомих як глибокі евтектичні розчинники (DES), які є екологічно чистими рідинами, які можуть осаджувати літій та інші метали з розчину.
“Коефіцієнт відновлення такий низький, тому що літій зазвичай випадає в осад останнім після всіх інших металів, тому наша мета полягала в тому, щоб з’ясувати, як ми можемо націлити на літій конкретно”, – сказала Сальма Альхашим, випускниця докторської програми Райса, яка є одним із провідних авторів дослідження. “Тут ми використали DES, який є сумішшю хлориду холіну та етиленгліколю, знаючи з нашої попередньої роботи, що під час вилуговування в цьому DES літій оточується іонами хлориду з хлориду холіну та вимивається в розчин”.
Зазвичай сполуку необхідно нагріти, щоб змусити метали випадати в осад, а у випадку літійвмісних сполук джерелом тепла зазвичай є масляна ванна. Але процес займає досить багато часу, протягом якого сполуки літію можуть почати розкладатися.
Щоб пришвидшити роботу, команда Райса вирішила спробувати мікрохвильове випромінювання, знаючи, що хлорид холіну, який веде до ізоляції літію, дуже добре поглинає мікрохвильове випромінювання.
15-хвилинна віха
Приріст швидкості був вражаючим. Дослідники змогли осадити літій майже в 100 разів швидше, ніж у масляній бані. Насправді їм знадобилося лише 15 хвилин, щоб повернути 87% літію – процес, який зайняв би 12 годин, якщо використовувати масляну баню.
“Це дозволило нам вибірково вимивати літій замість інших металів”, – сказав Сохіні Бхаттачарія, один із інших провідних авторів і докторський науковий співробітник Лабораторії наноматеріалів. “Використання мікрохвильового випромінювання для цього процесу схоже на те, як кухонна мікрохвильова піч швидко нагріває їжу. Енергія передається безпосередньо молекулам, завдяки чому реакція відбувається набагато швидше, ніж звичайні методи нагрівання”.
Дослідники кажуть, що метод також можна налаштувати для впливу на інші елементи шляхом налаштування складу DES, щоб він міг мати здатність відновлювати інші метали, такі як кобальт або нікель з батарей. Команда також підкреслює екологічні переваги свого підходу.
“Цей метод не тільки підвищує швидкість відновлення, але й мінімізує вплив на навколишнє середовище, що робить його багатообіцяючим кроком до масштабного розгортання систем переробки на основі DES для селективного відновлення металу”, – сказав Пулікель Аджаян, відповідальний автор дослідження та керівник відділу матеріалознавство та наноінженерія.
Робота була опублікована в журналі Advanced Functional Materials.
Джерело: New Atlas / Rice University