Lithium ist ein wichtiger Bestandteil von Batterien für Elektrofahrzeuge, doch herkömmliche Lithiumgewinnungsmethoden stehen vor vielen Herausforderungen, wie z. B. hohem Verbrauch und niedrigem Energieverbrauch, und es ist auch schwierig, Lithium von anderen Elementen (wie Natrium, Kalium, Magnesium und Kalzium) zu trennen.
Das Forschungsteam von Lisa Biswal und Haotian Wang an der Rice University im Vereinigten Königreich hat einen neuen elektrochemischen Reaktor entwickelt, der effizient Lithium aus natürlichen Salzwasserlösungen (wie Salzlake) extrahieren kann.
Das Forschungsteam sagte, dass mit dieser Methode nicht nur eine hochreine Lithiumextraktion von 97,5 % erreicht wird, sondern auch die Umweltrisiken, die herkömmliche Extraktionsmethoden mit sich bringen, erheblich reduziert werden. Das entsprechende Papier wurde in der neuesten Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America veröffentlicht (DOI:10.1073/pnas.2410033121).
Berichten zufolge hat das Rice-Ingenieurteam viele Herausforderungen bei der Lithiumextraktion durch einen neuartigen elektrochemischen Dreikammerreaktor gelöst und die Selektivität und Effizienz der Lithiumextraktion aus Sole erfolgreich verbessert.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden verfügt dieser neue chemische Reaktor über eine Zwischenkammer mit einem porösen Festelektrolyten, der unerwünschte Ionenreaktionen verhindert und die Entstehung schädlicher Nebenprodukte wie Chlor minimiert.
Die kritischste Komponente ist eine spezielle Lithium-Ionen-leitende Glaskeramikmembran (LICGC) auf einer Seite des Elektrolyseurs. Diese Membran lässt Lithiumionen selektiv durch und blockiert gleichzeitig andere Ionen, wodurch Störungen durch andere Ionen wie Kalium, Magnesium und Kalzium erheblich reduziert werden.
Von links nach rechts Yuge Feng, Lisa Biswal und Yoon Park, Quelle: Rice University
„Unsere Methode erreicht nicht nur eine hochreine Lithiumextraktion, sondern verringert auch die Umweltrisiken herkömmlicher Lithiumextraktionsmethoden. Der von uns entwickelte Reaktor kann die Bildung von Nebenprodukten minimieren und die Lithiumselektivität verbessern“, sagte Erstautor Yuge Feng, ein Doktorand in Biswals Labor.
Natürlich erzielten sie sehr erstrebenswerte Ergebnisse, darunter eine Lithiumreinheit von 97,5 %. Dies bedeutet, dass das Gerät Lithium und andere Ionen effektiv aus der Sole trennen kann, was für die Herstellung hochwertiger Lithiumhydroxidmaterialien für Elektrofahrzeugbatterien sehr wichtig ist.
Darüber hinaus wird durch dieses neue Reaktordesign auch die Entstehung von Chlorgas deutlich reduziert, was den Prozess sicherer und umweltfreundlicher macht.
Darüber hinaus beobachtete das Team, dass sich Natriumionen im Gegensatz zu Kalium, Magnesium oder Kalzium tendenziell auf der Oberfläche der LICGC-Membran ansammeln. Dies wird letztendlich den Transport von Lithium behindern und zu erhöhten Verlusten führen, was die Effizienz der Lithiumextraktion beeinträchtigen kann. Die Forscher haben jedoch Strategien zur Abmilderung dieses Problems identifiziert, beispielsweise die Reduzierung des Stromniveaus, und schlagen das Hinzufügen von Beschichtungen oder Stromimpulsen vor der Oberfläche, um den Reaktor weiter zu optimieren.
„Unser Fachgebiet hat seit langem Probleme mit der geringen Effizienz der Lithiumextraktion und der Umweltverschmutzung“, sagte Haotian Wang, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik. „Dieser Reaktor zeigt das Potenzial der Kombination von Grundlagenwissenschaft mit technischer Innovation zur Lösung realer Probleme.“