Este artículo trata sobre un novedoso sistema electroquímico de electrólisis de agua de mar de "oxidación dual" que logra una recuperación sostenible de litio combinando la oxidación de electrodos y la oxidación de electrolitos. La investigación fue realizada conjuntamente por investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, la Universidad Central Sur, la Universidad Politécnica Oriental de Ningbo y el Instituto de Investigación Energética de Shenzhen. Publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), el artículo demuestra una tecnología de recuperación de bajo consumo y alto contenido de litio que es de gran importancia para abordar la creciente demanda de litio y reducir la huella de carbono.
Antecedentes e importancia de la investigación
Con la creciente demanda de litio en dispositivos portátiles de almacenamiento de energía, los métodos de extracción tradicionales, como la metalurgia térmica y la hidrometalurgia, han sido objeto de un escrutinio cada vez mayor por su huella ambiental y sus grandes emisiones de CO2.
Estos métodos no sólo consumen mucha energía sino que también utilizan productos químicos peligrosos, lo que genera preocupaciones sobre la sostenibilidad y el agotamiento de los recursos. La Agencia Internacional de Energía (AIE) predice que las minas existentes solo podrán satisfacer la mitad de la demanda de la industria del litio para 2030, lo que destaca la urgencia de encontrar vías de recuperación de litio más limpias y eficientes.
Contenido y métodos de la investigación.
Los investigadores propusieron un sistema electroquímico de electrólisis de agua de mar de "oxidación dual" que logra una baja huella de carbono y una alta tasa de recuperación de litio al combinar la oxidación de electrodos y la oxidación de electrolitos. Demostraron la recuperación de litio a partir de materiales catódicos de LiFePO4 desechados con una tasa de recuperación del 98,96 % y una pureza del producto del 99,60 %.
A través de estudios de mecanismos en profundidad, se descubrió que la oxidación del electrodo impulsada por un campo eléctrico y el electrolito oxidativo generado in situ promovían sinérgicamente la lixiviación de iones de litio a través de los efectos sinérgicos de la oxidación de los elementos estructurales y la división por corrosión de las partículas.
Este mecanismo de oxidación dual promueve una extracción de litio rápida y eficiente, tiene una amplia universalidad y proporciona importantes beneficios económicos y ambientales.
Resultados experimentales y discusión.
Los resultados experimentales muestran que este mecanismo de oxidación dual exhibe una cinética más rápida y una mayor eficiencia de lixiviación de litio en diferentes electrolitos en comparación con los métodos tradicionales de lixiviación electroquímica de litio.
En particular, en el electrolito de NaCl, la eficiencia de lixiviación de litio alcanzó el 88,7% en 40 minutos, lo que es mucho mayor que la de los electrolitos de Na2SO4 y NaNO3.
Además, el experimento también encontró que con el aumento de la concentración de Cl⁻, la cinética de lixiviación del litio se aceleraba, lo que indica que las especies de cloro activo generadas por la oxidación electrocatalítica pueden promover la división de las partículas de LiFePO4, mejorando así la cinética de lixiviación del Li⁺.
Los investigadores también estudiaron la evolución estructural a nivel atómico del electrodo durante la lixiviación de litio mediante técnicas como la difracción de rayos X en polvo (DRX) in situ, la microscopía electrónica de transmisión in situ (TEM), la espectroscopía de pérdida de energía electrónica (EELS) y la espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS). espectroscopía de fotoelectrones de rayos (XPS).
Estas técnicas revelaron la evolución dinámica de la estructura cristalina de LiFePO4 durante el proceso de oxidación dual, en el que Li⁺ experimentó lixiviación parcial y desorden en LiFePO4 y finalmente escapó por completo del canal estructural.
1. Universalidad del mecanismo de oxidación dual.
Para evaluar la aplicabilidad más amplia de este mecanismo, los investigadores realizaron experimentos de lixiviación en diferentes hosts de litio en electrolito de NaCl 0.50 M, incluidas baterías de iones de litio de desecho que contienen LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 y baterías que contienen litio. espodumena mineral.
Los resultados experimentales muestran que este mecanismo de oxidación dual exhibe una buena eficiencia de lixiviación de litio en estos diferentes huéspedes de litio, lo que demuestra su amplia aplicabilidad en la recuperación sostenible de litio.
2. Sistema electroquímico de electrólisis de agua de mar.
Además, los investigadores combinaron este mecanismo de oxidación dual con paneles fotovoltaicos para impulsar la lixiviación de litio a partir de residuos de LiFePO4. Utilizando un electrolizador de agua de mar ablandada multicanal, demostraron que el sistema puede alcanzar una eficiencia de lixiviación de litio del 94,87 % en la primera etapa con altas concentraciones de NaCl.
En la segunda etapa, los electrodos se dejaron en el electrolito oxidante generado in situ durante 10 horas, y la eficiencia final de lixiviación de litio se pudo mejorar aún más hasta el 98,96 %. Todo el sistema solo requiere un consumo de energía de 0.054 kWh kg⁻¹ para recuperar 1,0 kg de LiFePO4 residual, sin el uso de productos químicos peligrosos ni emisiones de CO2.
3. Beneficios ambientales y evaluación técnica y económica
Los investigadores llevaron a cabo una evaluación ambiental integral y una evaluación técnica y económica de este sistema de lixiviación electroquímica multicanal y proceso de recuperación.
En comparación con los métodos termometalúrgicos e hidrometalúrgicos convencionales, el sistema ofrece una alternativa más segura y respetuosa con el medio ambiente al reducir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero al tiempo que aumenta la selectividad del litio y la tasa de lixiviación.
Desde una perspectiva tecnoeconómica, los investigadores revisaron en detalle todos los costos asociados y las fuentes de ingresos, incluidos los costos de residuos de polvo de LiFePO4, el consumo de energía, la depreciación de los equipos, el uso de reactivos químicos y los ingresos de los productos recuperados.
El análisis mostró que el costo total de inversión para recuperar litio de 1,0 kg de polvo de LiFePO4 residual fue de $2,86/kg; sin embargo, se generaron ingresos de $4,27/kg mediante la venta de Li2CO3 y FePO4 y ahorro de electricidad, lo que resultó en una ganancia bruta de $1,41/kg, destacando la viabilidad económica del proceso de lixiviación y recuperación de litio de doble óxido.
Conclusión
Este sistema electroquímico de electrólisis de doble óxido logra una recuperación rápida y eficiente de litio de una amplia gama de matrices sólidas que contienen litio utilizando agua de mar. La caracterización a nivel atómico revela el mecanismo de acción sinérgica del campo eléctrico y los oxidantes generados in situ. Este mecanismo de oxidación dual tiene un gran potencial para la recuperación eficiente de litio de diversos minerales y baterías de iones de litio de desecho, y se espera que su escalabilidad se utilice ampliamente en la extracción de otros metales clave en el futuro, incluida la extracción ecológica de metales clave directamente de minerales naturales y otras minas urbanas.
Este método impulsado por luz respetuoso con el medio ambiente no solo mejora la sostenibilidad ambiental, sino que también mejora la viabilidad económica, reduciendo significativamente las emisiones de carbono en comparación con los métodos tradicionales. En términos más generales, este sistema allana el camino para un ciclo del litio sostenible y de circuito cerrado que sea neutro en carbono en las zonas costeras.
