Tento článok je o novom elektrochemickom systéme elektrolýzy morskej vody s dvojitou oxidáciou, ktorý dosahuje udržateľnú obnovu lítia kombináciou oxidácie elektród a oxidácie elektrolytu. Výskum spoločne viedli výskumníci z Southern University of Science and Technology, Central South University, Ningbo Oriental Polytechnic University a Shenzhen Institute of Energy Research. Článok, publikovaný v zborníku Národnej akadémie vied (PNAS), demonštruje nízkoenergetickú technológiu obnovy s vysokým obsahom lítia, ktorá má veľký význam pre riešenie rastúceho dopytu po lítiu a znižovanie uhlíkovej stopy.
Pozadie a význam výskumu
S rastúcim dopytom po lítiu v prenosných zariadeniach na skladovanie energie sa tradičné metódy extrakcie, ako je tepelná metalurgia a hydrometalurgia, dostali pod čoraz väčšiu pozornosť z hľadiska ich environmentálnej stopy a veľkých emisií CO2.
Tieto metódy sú nielen energeticky náročné, ale využívajú aj nebezpečné chemikálie, čo vyvoláva obavy o udržateľnosť a vyčerpanie zdrojov. Medzinárodná agentúra pre energiu (IEA) predpovedá, že existujúce bane budú do roku 2030 schopné uspokojiť len polovicu dopytu priemyslu lítia, čo zdôrazňuje naliehavosť nájdenia čistejších a efektívnejších ciest obnovy lítia.
Obsah a metódy výskumu
Vedci navrhli elektrochemický systém elektrolýzy morskej vody s „duálnou oxidáciou“, ktorý dosahuje nízku uhlíkovú stopu a vysokú mieru obnovy lítia kombináciou oxidácie elektród a oxidácie elektrolytu. Preukázali regeneráciu lítia z vyradených LiFeP04 katódových materiálov s mierou regenerácie 98,96 % a čistotou produktu 99,60 %.
Prostredníctvom hĺbkových štúdií mechanizmov sa zistilo, že oxidácia elektródy riadená elektrickým poľom a oxidačný elektrolyt generovaný in situ synergicky podporovali vylúhovanie lítiových iónov prostredníctvom synergických účinkov oxidácie prvkov štrukturálneho rámca a štiepenia korózie častíc.
Tento mechanizmus duálnej oxidácie podporuje rýchlu a efektívnu extrakciu lítia, má širokú univerzálnosť a poskytuje významné ekonomické a environmentálne výhody.
Experimentálne výsledky a diskusia
Experimentálne výsledky ukazujú, že tento mechanizmus duálnej oxidácie vykazuje rýchlejšiu kinetiku a vyššiu účinnosť lúhovania lítia v rôznych elektrolytoch v porovnaní s tradičnými metódami elektrochemického lúhovania lítia.
Najmä v elektrolyte NaCl dosiahla účinnosť vylúhovania lítia 88,7 % v priebehu 40 minút, čo je oveľa viac ako pri elektrolytoch Na2SO4 a NaNO3.
Okrem toho experiment tiež zistil, že so zvýšením koncentrácie Cl⁻ sa kinetika vylúhovania lítia zrýchlila, čo naznačuje, že aktívne druhy chlóru generované elektrokatalytickou oxidáciou môžu podporovať štiepenie častíc LiFePO4, čím sa zlepšuje kinetika vylúhovania Li⁺.
Výskumníci tiež študovali štrukturálny vývoj elektródy na atómovej úrovni počas vylúhovania lítia technikami, ako je prášková röntgenová difrakcia in situ (XRD), transmisná elektrónová mikroskopia in situ (TEM), spektroskopia straty energie elektrónov (EELS) a X- lúčová fotoelektrónová spektroskopia (XPS).
Tieto techniky odhalili dynamický vývoj kryštálovej štruktúry LiFePO4 počas procesu duálnej oxidácie, v ktorom Li⁺ zažil čiastočné vylúhovanie a poruchu v LiFePO4 a nakoniec úplne unikol z rámcového kanála.
1. Univerzálnosť mechanizmu duálnej oxidácie
Na vyhodnotenie širšej použiteľnosti tohto mechanizmu výskumníci uskutočnili experimenty s vylúhovaním na rôznych hostiteľoch lítia v 0.50 M NaCl elektrolyte, vrátane odpadových lítium-iónových batérií obsahujúcich LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 a lítium-obsahujúcich minerálny spodumen.
Experimentálne výsledky ukazujú, že tento mechanizmus duálnej oxidácie vykazuje dobrú účinnosť vylúhovania lítia v týchto rôznych hostiteľoch lítia, čo demonštruje jeho širokú použiteľnosť pri udržateľnom získavaní lítia.
2. Elektrochemický systém elektrolýzy morskej vody
Výskumníci ďalej skombinovali tento duálny oxidačný mechanizmus s fotovoltaickými panelmi na riadenie vylúhovania lítia z odpadu LiFePO4. Pomocou viackanálového elektrolyzéra zmäkčenej morskej vody preukázali, že systém môže dosiahnuť 94,87% účinnosť vylúhovania lítia v prvom stupni pri vysokých koncentráciách NaCl.
V druhej fáze boli elektródy ponechané v in situ generovanom oxidačnom elektrolyte počas 10 hodiny a konečná účinnosť vylúhovania lítia sa mohla ďalej zlepšiť na 98,96 %. Celý systém vyžaduje iba spotrebu energie 0,054 kWh kg⁻¹ na regeneráciu 1,0 kg odpadu LiFePO4 bez použitia nebezpečných chemikálií alebo emisií CO2.
3. Environmentálne prínosy a technicko-ekonomické zhodnotenie
Výskumníci vykonali komplexný environmentálny prínos a technické a ekonomické vyhodnotenie tohto elektrochemického viackanálového lúhovacieho systému a procesu regenerácie.
V porovnaní s konvenčnými termometalurgickými a hydrometalurgickými metódami systém ponúka bezpečnejšiu a ekologickejšiu alternatívu znížením spotreby energie a emisií skleníkových plynov pri súčasnom zvýšení selektivity lítia a rýchlosti vylúhovania.
Z technicko-ekonomického hľadiska výskumníci podrobne preskúmali všetky súvisiace náklady a toky príjmov, vrátane nákladov na odpadový prášok LiFePO4, spotreby energie, odpisov zariadení, používania chemických činidiel a výnosov zo získaných produktov.
Analýza ukázala, že celkové investičné náklady na regeneráciu lítia z 1.0 kg odpadu LiFePO4 prášku boli 2 doláre.{4}}/kg, výnos 4,27 $/kg však vznikol predajom Li2CO3 a FePO4 a úspora elektrickej energie, čo vedie k hrubému zisku 1,41 USD/kg, čo zdôrazňuje ekonomickú životaschopnosť procesu lúhovania a regenerácie duálneho oxidu lítia.
Záver
Tento elektrochemický duálny oxidový elektrolýzny systém dosahuje rýchlu a efektívnu regeneráciu lítia zo širokého spektra pevných matríc obsahujúcich lítium pomocou morskej vody. Charakterizácia na atómovej úrovni odhaľuje mechanizmus synergického pôsobenia elektrického poľa a oxidantov generovaných in situ. Tento mechanizmus duálnej oxidácie má veľký potenciál na efektívne získavanie lítia z rôznych odpadových lítium-iónových batérií a minerálov a očakáva sa, že jeho škálovateľnosť bude v budúcnosti široko využívaná pri extrakcii iných kľúčových kovov, vrátane ekologickej extrakcie kľúčových kovov priamo z prírodné nerasty a iné mestské bane.
Táto ekologická metóda poháňaná svetlom nielen zlepšuje udržateľnosť životného prostredia, ale zlepšuje aj ekonomickú uskutočniteľnosť a výrazne znižuje emisie uhlíka v porovnaní s tradičnými metódami. Všeobecnejšie povedané, tento systém pripravuje pôdu pre uzavretý, udržateľný cyklus lítia, ktorý je uhlíkovo neutrálny v pobrežných oblastiach.
