Kifejlesztettek egy olyan módszert, amely az eddigiekhez képest hatékonyabb és fenntarthatóbb módon képes kinyerni az akkumulátorgyártás nélkülözhetetlen elemét.
A modern technológiai civilizáció éhsége a lítium iránt csillapíthatatlan: a digitális eszközök, az elektromos autók és a megújuló energia tárolása mind ezen az anyagon alapul. Becslések szerint 2040-re a kereslet felét sem éri majd el a kínálat, miközben a jelenlegi kitermelési módok – a hatalmas mennyiségű savat igénylő ércfeloldás vagy az óriási sólepárló medencék – súlyos környezeti károkat és vízhiányt okoznak.
A kutatók ezért új, szokatlan megoldások felé fordulnak, hogy elkerüljék a fenyegető hiányt és a sosem látott drágulást.
Az egyik legígéretesebb irány az ún. elektrokémiai interkaláció (az ionok elektrokémiai úton, összeomlás okozása nélkül épülnek be egy szilárd anyag kristályszerkezetébe), ami az akkumulátorok működési elvét használja fel a kinyeréshez. Az eljárás során elektromos áram segítségével terelik az ionokat egy másik anyag rétegei közé, mintha egy mikroszkopikus, „erőltetett szűrőn” préselnék át őket.
A legnagyobb akadályt eddig az jelentette, hogy a természetes sós vizekben a lítium mellett rengeteg nátrium található, amely kémiailag hasonló, így a szűrők nem tudtak különbséget tenni köztük. A Chicagói Egyetem Pritzker Molekuláris Mérnöki Karának szakemberei azonban megoldották a problémát: azt állítják, hogy 99 százalékos tisztaságú lítiumot nyertek ki egy olyan oldatból, amelyben a nátrium és a lítium aránya 1000 az 1-hez volt.
Bravúros megoldás az akár minimális mennyiségű lítium kinyerésére
A nátriumionok nagyjából harmadával nagyobbak a lítiumionoknál – ez elég ahhoz, hogy az elektromos tér beszippantsa őket, közben elég nagyok is, hogy zavart okozzanak a rendszerben. A kutatók megállapították, hogy a nátriumionok egyszerűen kiszorítják a kisebb lítiumionokat „az út szélére”.
„Kezdetben minden lítiumion mellett sok üres hely van, amikor azonban a nátrium bekerül, egymáshoz préseli a lítium-helyeket” – nyilatkozta Grant Hill, a Nature Communicationsben publikált tanulmány első szerzője, aki egy autópálya forgalmához hasonlította a módszerükkel létrejövő ionútvonalakat.
A mérnököknek arra is rá kell jönniük, hogy hogyan kezeljék a „közös beágyazódás” jelenségét, amely eddig komoly vakfolt volt a kutatásokban. A munka során rávilágítottak, hogy a folyamatot két erő egymásra hatása szabályozza: az egyiket a mesterségesen bevezetett elektromos áram hajtja, a másik pedig egy természetes folyamat, amely során az anyagok az egyensúlyi állapotukat keresik.
„Sebességkorlátozás” a rétegek között
A siker kulcsa az volt, hogy a kutatók optimalizálták a részecskeméretet és összehangolták a két versengő reakció sebességét. Megállapították, hogy csak akkor kapnak megbízható eredményt, ha elegendő időt hagynak az ioncserének, hogy utolérje a beágyazódást.
„Tudjuk, hogy két párhuzamos reakció zajlik le egy időben: az egyiket a töltés hajtja, amikor áramot vezetünk az anyagba, a másik pedig egy természetes folyamat: az anyagok a saját egyensúlyi állapotukat keresik” – magyarázta Chong Liu docens, a tanulmány levelező szerzője.
A lassabb bejuttatás és a kisebb részecskék alkalmazása biztosítja, hogy az anyag minden ciklus után képes visszatérni az eredeti állapotába, vagyis „ismételten képes felvenni és leadni a lítiumot anélkül, hogy nemkívánatos állapotban ragadna” – fogalmazott Hill.
Bár a kísérletekhez használt kobalt-oxid szinte ideális, a kobalt ára és nehéz hozzáférhetősége miatt a jövőben bőségesebben rendelkezésre álló fémekkel, például mangánnal folytatnák a fejlesztést. Ha sikerül áttérni gazdaságosabb alapanyagokra, az elektrokémiai fordulat radikálisan átalakíthatja a világ lítiumellátását.
A címlapképen: Chong Liu és Grant Hill az egyetem laboratóriumában. Fotó: John Zich / UChicago PME
„A Roszatom Műszaki Akadémián képzett szakemberek már most olyan kompetenciákat sajátítottak el, amelyekre az erőművi blokkok üzembe helyezésének minden szakaszában szükség lesz.”