Neue Extraktionstechnik revolutioniert die Lithiumproduktion
Lithium, ein wesentliches Element in Batterien und Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, verspricht eine umweltfreundlichere Zukunft. Seine Herstellung hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Die Gewinnung von Lithium aus Salzwasser erfordert viel Land und Zeit. Große Betriebe erstrecken sich über Dutzende Quadratmeilen und benötigen oft mehr als ein Jahr, um mit der Produktion zu beginnen.
Jetzt haben Forscher in Princeton eine Extraktionstechnik entwickelt, die den Land- und Zeitaufwand für die Lithiumproduktion drastisch reduziert. Die Forscher sagen, dass ihr System die Produktion in bestehenden Lithiumanlagen verbessern und Quellen erschließen kann, die bisher als zu klein oder zu verdünnt galten, um sich zu lohnen.
Der Kern der Technik, beschrieben in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Naturwasserist ein Satz poröser Fasern, die zu Schnüren verdreht sind und die die Forscher so konstruiert haben, dass sie einen wasserliebenden Kern und eine wasserabweisende Oberfläche haben. Wenn die Enden in eine Salzwasserlösung getaucht werden, wandert das Wasser durch Kapillarwirkung die Saiten hinauf – derselbe Prozess, den Bäume nutzen, um Wasser von den Wurzeln zu den Blättern zu ziehen.
Das Wasser verdunstet schnell von der Oberfläche jeder Saite und hinterlässt Salzionen wie Natrium und Lithium. Während das Wasser weiter verdunstet, konzentrieren sich die Salze zunehmend und bilden schließlich Natriumchlorid- und Lithiumchloridkristalle auf den Saiten, was eine einfache Ernte ermöglicht.
Zusätzlich zur Konzentration der Salze bewirkt die Technik, dass Lithium und Natrium aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften an unterschiedlichen Stellen entlang der Saite kristallisieren. Natrium mit geringer Löslichkeit kristallisiert im unteren Teil der Saite, während die gut löslichen Lithiumsalze im oberen Bereich kristallisieren. Die natürliche Trennung ermöglichte es dem Team, Lithium und Natrium einzeln zu sammeln, eine Leistung, die normalerweise den Einsatz zusätzlicher Chemikalien erfordert.
Ein Forschungsteam aus Princeton hat einen neuen Ansatz zur Konzentration, Trennung und Ernte von Lithiumsalzen entwickelt. Bildnachweis: Bumper DeJesus
„Unser Ziel war es, die grundlegenden Prozesse der Verdunstung und der Kapillarwirkung zu nutzen, um Lithium zu konzentrieren, abzutrennen und zu gewinnen“, sagte Z. Jason Ren, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am Andlinger Center for Energy and the Environment in Princeton und Leiter von Das Forschungsteam. „Wir müssen keine zusätzlichen Chemikalien einsetzen, wie es bei vielen anderen Extraktionstechnologien der Fall ist, und das Verfahren spart im Vergleich zu herkömmlichen Verdampfungsansätzen viel Wasser.“
Die begrenzte Versorgung mit Lithium sei ein Hindernis für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Gesellschaft, fügte Ren hinzu. „Unser Ansatz ist günstig, einfach zu bedienen und benötigt sehr wenig Energie. Es ist eine umweltfreundliche Lösung für eine kritische Energieherausforderung.“
Ein Verdunstungsteich an einer Schnur
Bei der konventionellen Solegewinnung wird eine Reihe riesiger Verdunstungsteiche gebaut, um Lithium aus Salzebenen, Salzseen oder Grundwasserleitern zu konzentrieren. Der Prozess kann zwischen mehreren Monaten und einigen Jahren dauern. Die Betriebe sind nur an wenigen Standorten auf der Welt wirtschaftlich rentabel, die über ausreichend hohe anfängliche Lithiumkonzentrationen, reichlich verfügbares Land und ein trockenes Klima verfügen, um die Verdunstung zu maximieren. Es gibt zum Beispiel nur ein aktiver Lithiumextraktionsbetrieb auf Solebasis in den Vereinigten Staaten, liegt in Nevada und erstreckt sich über mehr als sieben Quadratmeilen.
Die String-Technik ist wesentlich kompakter und kann viel schneller mit der Lithiumproduktion beginnen. Obwohl die Forscher darauf hinweisen, dass es zusätzlichen Aufwand erfordern wird, ihre Technologie vom Labor auf den industriellen Maßstab zu übertragen, gehen sie davon aus, dass dadurch die benötigte Landfläche um mehr als 90 Prozent des derzeitigen Betriebs reduziert und der Verdunstungsprozess um mehr als 20 Prozent beschleunigt werden kann Im Vergleich zu herkömmlichen Verdunstungsteichen kann dies zu einer ersten Lithiumernte in weniger als einem Monat führen.
Kompakte, kostengünstige und schnelle Abläufe könnten den Zugang auf neue Lithiumquellen erweitern, etwa stillgelegte Öl- und Gasquellen und geothermische Solen, die derzeit zu klein oder zu verdünnt für die Lithiumgewinnung sind. Die Forscher sagten, die beschleunigte Verdunstungsrate könne auch den Betrieb in feuchteren Klimazonen ermöglichen. Sie untersuchen sogar, ob die Technologie eine Lithiumgewinnung aus Meerwasser ermöglichen würde.
„Unser Prozess ähnelt dem Anbringen eines Verdunstungsteichs an einer Schnur und ermöglicht es uns, Lithium-Ernten mit einem deutlich reduzierten räumlichen Platzbedarf und einer präziseren Kontrolle des Prozesses zu erzielen“, sagte Sunxiang (Sean) Zheng, Co-Autor der Studie und ehemaliger Andlinger Center Ausgezeichneter Postdoktorand. „Bei einer Skalierung könnten wir neue Perspektiven für eine umweltfreundliche Lithiumgewinnung eröffnen.“
Da die Materialien zur Herstellung der Saiten billig sind und die Technologie keine chemischen Behandlungen erfordert, sagten die Forscher, dass ihr Ansatz mit zusätzlichen Verbesserungen ein starker Kandidat für eine breite Akzeptanz wäre. In der Arbeit demonstrierten die Forscher die potenzielle Skalierbarkeit ihres Ansatzes, indem sie ein Array aus 100 Lithium-Extraktionssträngen konstruierten.
Rens Team entwickelt bereits eine zweite Generation der Technik, die eine höhere Effizienz, einen höheren Durchsatz und eine bessere Kontrolle über den Kristallisationsprozess ermöglichen wird. Er würdigt die Princeton Catalysis Initiative für die entscheidende Anfangsunterstützung, die kreative Forschungskooperationen ermöglicht. Darüber hinaus erhielt sein Team kürzlich einen NSF Partnerships for Innovation Award und eine Auszeichnung des Intellectual Property (IP) Accelerator Fund von Princeton zur Unterstützung des Forschungs- und Entwicklungsprozesses, einschließlich Möglichkeiten zur Änderung des Ansatzes zur Gewinnung anderer wichtiger Mineralien neben Lithium. Zusammen mit Kelsey Hatzell, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und dem Andlinger Center for Energy and the Environment, erhielt Ren außerdem eine Anschubfinanzierung vom Princeton Center for Complex Materials, um den Kristallisationsprozess besser zu verstehen.
Zheng leitet den Start eines Startups, PureLi Inc., um mit der Verfeinerung der Technologie zu beginnen und sie schließlich auf den breiteren Markt zu bringen. Zheng wurde als einer von vier Forschern ausgewählt Eröffnungsveranstaltung von START Entrepreneurs Kohorte in Princeton, ein akademisches Stipendium und Startup-Accelerator zur Förderung integrativen Unternehmertums.
„Als Forscher wissen Sie aus erster Hand, dass viele neue Technologien zu teuer oder schwer zu skalieren sind“, sagte Zheng. „Aber wir freuen uns sehr über dieses Projekt und glauben, dass es mit einigen zusätzlichen Effizienzverbesserungen ein unglaubliches Potenzial hat, einen echten Einfluss auf die Welt zu haben.“
Referenz: „Räumlich getrennte Kristallisation zur selektiven Lithiumextraktion aus Salzwasser“ von Xi Chen, Meiqi Yang, Sunxiang Zheng, Fernando Temprano-Coleto, Qi Dong, Guangming Cheng, Nan Yao, Howard A. Stone, Liangbing Hu und Zhiyong Jason Ren, 7. September 2023, Naturwasser.
Quelle:Neue Extraktionstechnik revolutioniert die Lithiumproduktion (cifitec.org)
