Revolutionierung der Lithiumproduktion an einer Schnur

Meiqi Yang, Doktorandin im Bau- und Umweltingenieurwesen und eine der Hauptautorinnen der Studie, arbeitet an einer schnurbasierten Technologie, die Lithiumsalze aus einer Solelösung extrahiert. (Foto von Bumper DeJesus, via Princeton Universität)

Lithium ist ein wichtiger Bestandteil der Batterien im Herzen von Elektrofahrzeugen und der Energiespeicherung im Netz und der Schlüssel zu einer Zukunft mit sauberer Energie. Doch die Herstellung des silberweißen Metalls ist mit erheblichen Umweltkosten verbunden. Dazu gehört der enorme Land- und Zeitaufwand, der für die Gewinnung von Lithium aus Salzwasser erforderlich ist. Große Betriebe erstrecken sich über Dutzende von Quadratmeilen und erfordern 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 am 7. September 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.

Auf der Oberfläche der Saiten bilden sich Salze. (Foto von Bumper DeJesus, via Princeton Universität)

Zusätzlich zur Konzentration der Salze führt die Technik dazu, 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.

„Unser Ziel war es, die grundlegenden Prozesse der Verdunstung und der Kapillarwirkung zu nutzen, um Lithium zu konzentrieren, abzutrennen und zu ernten“, sagte er Z. Jason Ren, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am Andlinger Center for Energy and the Environment in Princeton und Leiter des Forschungsteams. „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. Beispielsweise gibt es in den Vereinigten Staaten nur einen aktiven Lithiumgewinnungsbetrieb auf Solebasis, der sich in Nevada befindet und sich über mehr als sieben Quadratmeilen erstreckt.

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 im Vergleich zum aktuellen Betrieb um mehr als 90 % reduziert und der Verdunstungsprozess um mehr als beschleunigt werden kann Im Vergleich zu herkömmlichen Verdunstungsteichen ist dies 20-mal so hoch, dass die erste Lithiumernte möglicherweise in weniger als einem Monat erzielt werden kann.

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 deutlich geringerem räumlichem Platzbedarf und mit präziserer Kontrolle des Prozesses zu erzielen“, sagte Sunxiang (Sean) Zheng, Co-Autor der Studie und ehemaliger Distinguished Postdoc am Andlinger Center Gefährte. „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 die Gründung eines Startups, PureLi Inc., um den Prozess der Verfeinerung der Technologie einzuleiten und sie schließlich auf den breiteren Markt zu bringen. Zheng wurde als einer von vier Forschern in der ersten START Entrepreneurs-Kohorte in Princeton ausgewählt, einem akademischen Stipendium und Startup-Beschleuniger 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.“

Eine Reihe von Mitarbeitern

Ren sagte, die bahnbrechende Entdeckung sei durch eine umfangreiche Zusammenarbeit zwischen Forschungsgruppen in Princeton und der University of Maryland möglich geworden.

Beispielsweise inspirierte die Zusammenarbeit mit Liangbing Hu, dem Herbert Rabin Distinguished Professor am Department of Mechanical Engineering der University of Maryland, die Forscher dazu, das Fasermaterial zu verwenden und zu behandeln, um die Effizienz der Technologie zu maximieren.

Rens Forschungsteam wandte sich auch an Howard Stone, den Donald R. Dixon ’69 und Elizabeth W. Dixon Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, und Fernando Temprano-Coleto, einen Distinguished Postdoctoral Fellow des Andlinger Center, der mit Stone zusammenarbeitet, um die Grundlagen zu verstehen und zu modellieren Strömungsmechanik und Transportprozesse, die den beeindruckenden Lithiumgewinnungsfähigkeiten der Saiten zugrunde liegen.

Ren (Mitte) untersucht Daten mit Sean Zheng. (Foto von Bumper DeJesus, via Princeton Universität)

„Sobald Sie zu einer mathematischen Beschreibung des Prozesses gelangen können, können Sie nicht nur verstehen, was Sie bereits beobachtet haben, sondern Sie gewinnen auch an Vorhersagekraft“, sagte Temprano-Coleto. „Wenn ein Modell vorhanden ist, können Sie beginnen, mit den Variablen zu experimentieren, um den Prozess zu optimieren und zu verstehen, wie er unter verschiedenen Bedingungen funktioniert.“

Rens Team nutzte die Materialcharakterisierungsexpertise von Nan Yao, Professorin für Praxis am Princeton Materials Institute, und die einzigartigen Einrichtungen im Imaging and Analysis Center von Princeton, um die Struktur und räumliche Anordnung der Materialien zu charakterisieren. Yao ist der Direktor des Zentrums.

„Es ist schwierig, ein Element wie Lithium mit herkömmlichen Charakterisierungstechniken nachzuweisen, weil es so leicht ist und nur drei Elektronen beteiligt sind, um ein sehr schwaches Röntgensignal zu emittieren“, sagte Yao. „Glücklicherweise verfügen wir im Imaging and Analysis Center über eine Reihe hochwertiger, hochmoderner Instrumente, die es uns ermöglichten, die benötigten Informationen zu sammeln.“

Yao und Guangming Cheng, ein assoziierter Forschungswissenschaftler in Yaos Gruppe, arbeiteten mit dem Hauptautor Xi Chen zusammen, einem ehemaligen assoziierten Forschungswissenschaftler für Bau- und Umweltingenieurwesen im Ren-Labor, der jetzt außerordentlicher Professor an der Tsinghua-Universität ist, um eine bekannte fortschrittliche Technik zu verwenden als Elektronenenergieverlustspektroskopie neben der Rastertransmissionselektronenmikroskopie, um die räumliche Anordnung von Lithium und Natrium entlang der Saiten zu charakterisieren. Ihre Arbeit ergab, dass sich Lithium und Natrium sowohl vertikal entlang der Saite als auch radial voneinander trennten, wobei Natrium hauptsächlich auf der Oberfläche der verflochtenen Saiten kristallisierte und sich Lithium in der Mitte konzentrierte. Die Entdeckung könnte die laufenden Bemühungen zur Steigerung der Effizienz des bestehenden Ansatzes beeinflussen.

„Jeder unserer Mitarbeiter hat einen entscheidenden Beitrag zu unserer Arbeit geleistet, von der Aufdeckung der grundlegenden Prozesse hinter der hohen Effizienz unserer Technologie bis hin zur Charakterisierung der endgültigen Materialien“, sagte Ren. „Ohne das Fachwissen aller Projektbeteiligten hätten wir unsere Arbeit nicht erreichen können.“

Das Papier, “Räumlich getrennte Kristallisation zur selektiven Lithiumextraktion aus Salzwasser,„wurde am 7. September online in Nature Water veröffentlicht. Zu den Studienautoren gehören neben Ren, Zheng, Hu, Temprano-Coleto, Stone, Yao, Cheng und Chen auch Meiqi Yang von der Princeton University und Qi Dong von der University of Maryland.

Von Colton Poore, Andlinger Zentrum für Energie und Umwelt, Princeton Universität