Wissenschaftler revolutionieren die Lithiumextraktion mit einer anderen Art von Chemie

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Wenn man an Chemie denkt, denkt man normalerweise an verschiedene farbige Flüssigkeiten in Bechern, Kolben und Reagenzgläsern in einem Labor. Aber in der Praxis kann die Chemie Materialien in allen Zuständen umfassen: Flüssigkeiten, Gase und sogar Feststoffe.

Wissenschaftler am Critical Materials Innovation (CMI) Hub unter der Leitung des Ames National Laboratory des US-Energieministeriums nutzen eine Unterdisziplin der Chemie namens Mechanochemie, die das herkömmliche Verständnis chemischer Reaktionen buchstäblich auf den Kopf stellt, indem sie mechanische Kräfte nutzen, die bewegen, taumeln und bewegen Zerschlagen Sie Feststoffe, um chemische Reaktionen auszulösen. Ihr neues Verfahren, die mechanochemische Extraktion von Lithium bei niedrigen Temperaturen (MELLT), ist eine kreative Lösung, um das Lithiumangebot in den Vereinigten Staaten zu erhöhen und zu diversifizieren.

Lithium ist ein stark nachgefragtes Element mit einem damit verbundenen Lieferkettenrisiko. Es wird für leistungsstarke Akkus benötigt Batterien in Technologien wie Mobiltelefonen, medizinischen Geräten und Elektrofahrzeugen zu finden, um nur einige zu nennen. Da Elektrofahrzeuge immer beliebter werden, steigt die Nachfrage nach Lithium. Das zu ihrer Herstellung benötigte Element Lithium (Li). Batterien stammt aus zwei Quellen: Solen und Hartgesteinsmineralien. Lithiumsolen sind Ablagerungen von salzhaltigem Grundwasser, in denen sich gelöstes Lithium ansammelt. Das wichtigste Hartgesteinsmineral, das Lithium enthält, heißt Spodumen. Beide Quellen erfordern unterschiedliche Extraktionsmethoden.

Ihor Hlova, Wissenschaftler am CMI und Ames Lab und Leiter der Projektgruppe, erklärte, dass die Gewinnung von Lithium aus Solen ein kosteneffizienter Prozess sei, der auf solarer Verdampfung basiert. Grundsätzlich werden mit der Sole gefüllte flache Brunnen ständig der Luft ausgesetzt, damit das Wasser verdunsten kann. Es ist die Hauptquelle für importiertes und inländisches Lithium in den Vereinigten Staaten.

Die derzeitige Methode zur Gewinnung von Lithium aus dem Hartgesteinsmineral Spodumen ist energieintensiv und erzeugt Treibhausgase und gefährliche Abfallströme. Dabei wird das Mineralerz zweimal erhitzt. Das erste Mal wird es bei 1050 °C (1976 °F) geröstet, um es in einen Zustand zu überführen, der für die chemische Verarbeitung besser geeignet ist. In der zweiten Runde wird das Mineralerz zusammen mit Chemikalien bei etwa 250 °C (485 °F) gekocht, um eine wasserlösliche Lithiumverbindung zu bilden. Das resultierende Lithiumprodukt ist von höherer Qualität als aus Solen gewonnenes Lithium.

Beide Methoden stellen in einem stark nachgefragten Markt für Lithium eine Herausforderung dar; Die Herstellung von Solen dauert zu lange (12–24 Monate) und die Gewinnung von Hartgesteinsmineralien verbraucht zu viel Energie. Darüber hinaus benötigen Solen in verschiedenen Verarbeitungsstufen große Mengen an Süßwasser, während bei der direkten Mineralextraktion giftige Nebenprodukte entstehen.

Um diese Nachteile zu umgehen und einen effizienteren Prozess zu schaffen, nutzte Hlovas Gruppe die Mechanochemie.

„Mechanochemie ist eine zu wenig genutzte Technik in Extraktionsmethoden“, sagte Tyler Del Rose, Postdoktorand am Ames Lab und Mitglied des Forschungsteams. „Normalerweise wird es verwendet, um das Ausgangsmaterial zu zerkleinern oder die Reaktanten zu mischen, aber in seltenen Fällen wurde es auch verwendet, um chemische Reaktionen zu erleichtern.“

Alle chemischen Reaktionen benötigen Energie. Diese Energie kann in vielen Formen vorliegen, etwa in Wärme, Licht oder Elektrizität. Aber im Fall der Mechanochemie kommt es von mechanischen Kräften. „Mechanische Kraft verursacht strukturelle Unvollkommenheiten auf der Oberfläche fester Materialien“, sagte Hlova. „Diese Unvollkommenheiten werden zu reaktiven Stellen, an denen chemische Reaktionen schneller und einfacher ablaufen können.“

Auf der Grundlage dieser Prinzipien entwickelte Hlovas Team MELLT. In einem Prozess namens Kugelmahlen werden feste Spodumenbrocken und ein fester chemischer Reaktant wie Natriumcarbonat (Na) zerkleinert₂CO₃), werden in eine Kammer mit Stahlkugeln gegeben. Die Kammer wird auf unterschiedliche Weise bewegt, was zu schnellen, wiederholten Scher- und Stoßbeanspruchungen zwischen den Materialien führt. Wiederholter Stress führt schließlich zu hochenergetischen Zuständen innerhalb der Chemikalien, wodurch diese miteinander reagieren. Bei diesen Reaktionen entstehen wasserlösliche Lithiumverbindungen. Diese Lithiumverbindungen werden durch eine Wasserwäsche aus dem Endprodukt extrahiert.

MELLT rationalisiert die Gewinnung von Hartgesteinsmineralien, verbraucht deutlich weniger Energie und eliminiert giftige Abfallströme. MELLT ist auch viel schneller als Sole-Extraktionsverfahren.

„Mechanochemie bietet einen nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Ansatz zur Durchführung chemischer Reaktionen“, sagte Hlova. „Dieses Projekt bietet das Potenzial, die Lithium-Lieferketten in den USA zu diversifizieren, die Kritikalität von Lithium zu verringern und den Weg für eine nachhaltige Zukunft zu ebnen.“

Die Entwicklung von MELLT ist Teil einer größeren, von CMI unterstützten Gemeinschaftsinitiative, an der mehrere nationale Labore, Universitäten und Industriepartner beteiligt sind, um neue Raffinierungsprozesse zu entdecken oder bestehende Methoden zur Gewinnung von Lithium sowohl aus Hartgestein als auch aus Solequellen zu verbessern.

„CMI hat sich zum Ziel gesetzt, innovative Lösungen für kritische Lieferkettenprobleme wie dieses zu entwickeln“, sagte Tom Lograsso, CMI-Direktor. „Diese Arbeit ist Teil dieser Mission, der US-Industrie Technologien zur Verfügung zu stellen, die für die Kommerzialisierung verfügbar sind.“

Der Innovationszentrum für kritische Materialien ist ein Energieinnovationszentrum, das vom Ames National Laboratory des US-Energieministeriums mit Unterstützung des Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) des Office of Energy Efficiency and Renewable Energy geleitet wird. CMI sucht nach Möglichkeiten, die Entwicklung kritischer Materialtechnologien zu beschleunigen und die Innovationspipeline für US-Lieferketten zu verbessern, indem es die Forschung beschleunigt, eine vielfältige Belegschaft ausbildet und in Zusammenarbeit mit der amerikanischen Industrie risikoarme, kommerziell nutzbare Technologien entwickelt.

In 11 Jahren als Critical Materials Energy Innovation Hub des US-Energieministeriums wurden 21 CMI-Technologien lizenziert. CMI verfügt über 646 Veröffentlichungen und 51 Patente. CMI hat sechs Open-Source-Softwarepakete entwickelt. Um mit CMI zusammenzuarbeiten oder deren Technologien zu lizenzieren, wenden Sie sich an Stacy Joiner, CMI Partner Relations, [email protected] oder 515-296-4508.

Ames National Laboratory ist ein US-Energieministerium Büro für Wissenschaft Nationales Labor der Iowa State University. Ames Laboratory entwickelt innovative Materialien, Technologien und Energielösungen. Wir nutzen unser Fachwissen, unsere einzigartigen Fähigkeiten und unsere interdisziplinäre Zusammenarbeit, um globale Probleme zu lösen.

Das Ames National Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte https://energy.gov/science.

Von Ames National Laboratory