С появлением литиевых батарей спрос на этот мягкий серебристо-белый металл — самый легкий твердый элемент в периодической таблице — резко вырос. В условиях, когда к 2050 году гонка за нулевым выбросом углерода набирает обороты, вынуждая электрифицировать транспорт, литий станет еще более ценным активом в следующие 30 лет.
Но, как и в случае с другими металлами, такими как уран , запасы лития на суше бледнеют по сравнению с тем, что находится в море. По данным исследователей из Университета науки и технологий Саудовской Аравии имени короля Абдаллы (KAUST), в океанах примерно в 5000 раз больше лития, чем в наземных месторождениях, и недавно разработанная технология может начать извлекать его достаточно дешево, чтобы добиться успеха. — при получении газообразного водорода, газообразного хлора и опресненной воды в качестве бонуса.
В основе процесса лежит электрохимическая ячейка, содержащая керамическую мембрану из оксида лития-лантана-титана (LLTO) с порами, достаточно широкими, чтобы пропускать ионы лития, блокируя при этом более крупные ионы металлов. «Мембраны LLTO никогда раньше не использовались для извлечения и концентрирования ионов лития», — говорит научный сотрудник, получивший докторскую степень, Чжэнь Ли, который разработал клетку.
Экспериментальная установка. (а) схематическая иллюстрация. (б) фотография испытательного стенда. (c) кристаллическая структура LLTO. (d) ионы лития, просачивающиеся через решетку LLTO (e) экспериментальную мембрану LLTO, диаметром около 20 мм. (е) изображения медного полого волоконного катода. KAUST
В камере три отделения. Морская вода течет в первый, из которого положительно заряженные ионы лития проходят через мембрану LLTO во второй отсек, содержащий буферный раствор и медный катод, покрытый платиной и рутением. Между тем, отрицательно заряженные ионы проходят через анионообменную мембрану в третий отсек, содержащий раствор хлорида натрия, где они притягиваются к платино-рутениевому аноду.
При подаче тока литий протягивается через мембрану LLTO к катоду, и в процессе образуется газообразный водород на катоде и газообразный хлор на аноде, которые могут быть собраны. Там, где литий начинается с концентрации всего 0,2 частей на миллион в необработанной морской воде, эксперименты показали, что пропускание его через эту ячейку за пять 20-часовых этапов увеличивает концентрацию до более чем 9000 частей на миллион, в результате чего остается раствор с установленным pH. центрифугировали, промывали и сушили, чтобы получить порошок фосфата лития чистотой 99,94%, соответствующий стандартам для фосфата лития аккумуляторного качества.
По данным исследовательской группы, электричество, необходимое для производства килограмма лития таким образом (около 76,3 кВтч), будет стоить около 5 долларов США, а каждый килограмм лития даст дополнительные 0,87 кг газообразного водорода и 31,12 кг газообразного хлора. По ценам 2020 года только эти побочные продукты могут продаваться по цене от 6,90 до 11,70 долларов США.
Еще один побочный бонус заключается в том, что морская вода, которая проходит только одну стадию этого процесса, имеет общую концентрацию соли ниже 500 частей на миллион. По словам исследователей, это «означает, что после сбора лития оставшуюся воду можно рассматривать как пресную. Следовательно, этот процесс также может интегрироваться с опреснением морской воды для дальнейшего повышения его экономической жизнеспособности».
Как долго прослужит оборудование? Что ж, исследователи говорят, что они тестировали мембрану LLTO более 2000 часов в воде Красного моря и обнаружили «незначительное снижение производительности», так что там все кажется положительным. А оборудование будет дорогим? Не похоже. «Хотя по-прежнему потребуется тщательный экономический анализ, чтобы включить другие капитальные и операционные расходы, — говорится в документе, — можно утверждать, что затраты на энергию являются основными расходами в этом процессе».
Порошок фосфата лития, извлеченный из начальных 25 литров воды из Красного моря после пяти 20-часовых этапов обработки. KAUST
Итак, устройство, которое может вытаскивать литий аккумуляторного класса из океана при незначительных затратах на электроэнергию, которые более чем компенсируются газами водорода и хлора, которые образуются в процессе, — а также откачивает опресненную пресную воду? Хватит разговоров — инвестируем?
Может быть. Следует отметить, что в самой конструкции ячейки присутствуют редкоземельные металлы. Кроме того, процесс обогащения морской воды занимает сто часов, и это устройство было протестировано только на лабораторном стенде в очень маленьком масштабе. Но исследователи говорят, что есть много возможностей для оптимизации, и, поскольку процесс, по-видимому, значительно ускоряется на последних стадиях по мере роста концентрации лития, кажется очевидным, что более богатое содержание сырья — например, вода из месторождений сланцевого газа — может иметь положительный результат.
Сожалеем ли мы об этом, если вытащим весь литий из океанов? Все ли рыбы станут биполярными? Ну, лития там довольно много. Около 180 миллиардов тонн, что обеспечит прогнозируемый мировой спрос на литий к 2030 году более чем в 100000 раз. Так что это, безусловно, займет время — время, в течение которого миллиарды долларов, которые в настоящее время вкладываются в поиск решений для батарей, которые лучше, чем литий, вполне могут принести свои плоды.
Тем не менее, это определенно выглядит многообещающим методом производства лития с очень аккуратной вишенкой на торте.
Полный текст статьи находится в открытом доступе в рецензируемом журнале Energy & Environmental Science .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК