Ta članek govori o novem elektrokemičnem sistemu za elektrolizo z morsko vodo z dvojno oksidacijo, ki doseže trajnostno pridobivanje litija s kombiniranjem oksidacije elektrod in oksidacije elektrolitov. Raziskavo so skupaj izvedli raziskovalci z Južne univerze za znanost in tehnologijo, Central South University, Ningbo Oriental Polytechnic University in Shenzhen Institute of Energy Research. Članek, objavljen v Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), prikazuje tehnologijo za pridobivanje nizkoenergijske energije z visoko vsebnostjo litija, ki je zelo pomembna za obravnavanje naraščajočega povpraševanja po litiju in zmanjšanje ogljičnega odtisa.
Raziskovalno ozadje in pomen
Z naraščajočim povpraševanjem po litiju v prenosnih napravah za shranjevanje energije so tradicionalne metode ekstrakcije, kot sta termična metalurgija in hidrometalurgija, pod vse večjim nadzorom zaradi njihovega okoljskega odtisa in velikih emisij CO2.
Te metode niso samo energetsko intenzivne, temveč uporabljajo tudi nevarne kemikalije, kar vzbuja pomisleke glede trajnosti in izčrpavanja virov. Mednarodna agencija za energijo (IEA) napoveduje, da bodo obstoječi rudniki do leta 2030 lahko zadovoljili le polovico povpraševanja industrije litija, pri čemer poudarja nujnost iskanja čistejših in učinkovitejših poti pridobivanja litija.
Raziskovalne vsebine in metode
Raziskovalci so predlagali elektrokemični "dvojni oksidacijski" sistem za elektrolizo morske vode, ki dosega nizek ogljični odtis in visoko stopnjo predelave litija s kombinacijo oksidacije elektrod in oksidacije elektrolitov. Dokazali so izkoristek litija iz zavrženih katodnih materialov LiFePO4 s stopnjo izkoristka 98,96 % in čistostjo izdelka 99,60 %.
S poglobljenimi študijami mehanizma je bilo ugotovljeno, da oksidacija elektrode, ki jo poganja električno polje, in in situ ustvarjen oksidativni elektrolit sinergistično pospešujeta izpiranje litijevih ionov prek sinergijskih učinkov oksidacije elementov strukturnega ogrodja in cepitve delcev zaradi korozije.
Ta dvojni oksidacijski mehanizem spodbuja hitro in učinkovito ekstrakcijo litija, ima široko univerzalnost in zagotavlja pomembne gospodarske in okoljske koristi.
Eksperimentalni rezultati in razprava
Eksperimentalni rezultati kažejo, da ima ta dvojni oksidacijski mehanizem hitrejšo kinetiko in večjo učinkovitost izpiranja litija v različnih elektrolitih v primerjavi s tradicionalnimi elektrokemičnimi metodami izpiranja litija.
Zlasti v elektrolitu NaCl je učinkovitost izpiranja litija dosegla 88,7 % v 40 minutah, kar je veliko več kot pri elektrolitih Na2SO4 in NaNO3.
Poleg tega je poskus tudi ugotovil, da se je s povečanjem koncentracije Cl⁻ pospešila kinetika izpiranja litija, kar kaže, da lahko aktivne vrste klora, ki nastanejo z elektrokatalitsko oksidacijo, spodbujajo cepitev delcev LiFePO4 in tako izboljšajo kinetiko izpiranja Li⁺.
Raziskovalci so preučevali tudi strukturni razvoj elektrode na atomski ravni med izpiranjem litija s tehnikami, kot so in situ rentgenska difrakcija prahu (XRD), in situ transmisijska elektronska mikroskopija (TEM), spektroskopija izgube energije elektronov (EELS) in rentgenska žarkovna fotoelektronska spektroskopija (XPS).
Te tehnike so razkrile razvoj dinamične kristalne strukture LiFePO4 med procesom dvojne oksidacije, v katerem je Li⁺ doživel delno izpiranje in motnjo v LiFePO4 in končno popolnoma pobegnil iz okvirnega kanala.
1. Univerzalnost mehanizma dvojne oksidacije
Da bi ovrednotili širšo uporabnost tega mehanizma, so raziskovalci izvedli poskuse izpiranja na različnih gostiteljih litija v 0.50 M NaCl elektrolitu, vključno z odpadnimi litij-ionskimi baterijami, ki vsebujejo LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 in baterije, ki vsebujejo litij mineral spodumen.
Eksperimentalni rezultati kažejo, da ta mehanizem dvojne oksidacije kaže dobro učinkovitost izpiranja litija v teh različnih gostiteljih litija, kar dokazuje njegovo široko uporabnost pri trajnostnem pridobivanju litija.
2. Elektrokemični sistem za elektrolizo morske vode
Raziskovalci so dodatno združili ta dvojni oksidacijski mehanizem s fotovoltaičnimi paneli, da bi spodbudili izpiranje litija iz odpadnega LiFePO4. Z uporabo večkanalnega elektrolizerja zmehčane morske vode so dokazali, da lahko sistem doseže 94,87-odstotno učinkovitost izpiranja litija v prvi fazi pri visokih koncentracijah NaCl.
V drugi fazi so bile elektrode 10 ure v in-situ ustvarjenem oksidacijskem elektrolitu in končna učinkovitost izpiranja litija se je lahko dodatno izboljšala na 98,96%. Celoten sistem zahteva samo porabo energije 0.054 kWh kg⁻¹ za predelavo 1,0 kg odpadnega LiFePO4, brez uporabe nevarnih kemikalij ali emisij CO2.
3. Okoljske koristi ter tehnična in ekonomska ocena
Raziskovalci so izvedli obsežno okoljsko korist ter tehnično in ekonomsko oceno tega elektrokemičnega večkanalnega sistema izpiranja in postopka predelave.
V primerjavi s konvencionalnimi termometalurškimi in hidrometalurškimi metodami ponuja sistem varnejšo in okolju prijaznejšo alternativo z zmanjšanjem porabe energije in emisij toplogrednih plinov, hkrati pa povečuje selektivnost litija in stopnjo izpiranja.
S tehnično-ekonomskega vidika so raziskovalci podrobno pregledali vse s tem povezane stroške in tokove prihodkov, vključno s stroški odpadnega prahu LiFePO4, porabo energije, amortizacijo opreme, uporabo kemičnih reagentov in prihodki od predelanih izdelkov.
Analiza je pokazala, da je skupni naložbeni strošek pridobivanja litija iz 1.0 kg odpadnega prahu LiFePO4 znašal 2 USD.86/kg, vendar je bil prihodek v višini 4,27 USD/kg ustvarjen s prodajo Li2CO3 in FePO4 in prihranek električne energije, kar je povzročilo bruto dobiček v višini 1,41 USD/kg, kar poudarja ekonomsko upravičenost izpiranja in predelave litija z dvojnim oksidom postopek.
Zaključek
Ta elektrokemični sistem elektrolize z dvojnim oksidom omogoča hitro in učinkovito pridobivanje litija iz širokega spektra trdnih matrik, ki vsebujejo litij, z uporabo morske vode. Karakterizacija na atomski ravni razkriva mehanizem sinergističnega delovanja električnega polja in in situ ustvarjenih oksidantov. Ta dvojni oksidacijski mehanizem ima velik potencial za učinkovito predelavo litija iz različnih odpadnih litij-ionskih baterij in mineralov, njegova razširljivost pa naj bi se v prihodnosti široko uporabljala pri ekstrakciji drugih ključnih kovin, vključno z zeleno ekstrakcijo ključnih kovin neposredno iz naravne minerale in druge urbane rudnike.
Ta okolju prijazna metoda, ki jo poganja svetloba, ne izboljšuje samo okoljske trajnosti, ampak tudi izboljšuje ekonomsko izvedljivost, saj znatno zmanjša emisije ogljika v primerjavi s tradicionalnimi metodami. V širšem smislu ta sistem utira pot zaprtozančnemu, trajnostnemu ciklu litija, ki je na obalnih območjih ogljično nevtralen.
