אלקטרוליזר מי ים המונע על ידי חימצון כפול לשיקום בר קיימא של ליתיום

מאמר זה עוסק במערכת אלקטרוכימית "חמצון כפול" חדשנית למי ים המשיגה התאוששות ליתיום בר-קיימא על ידי שילוב של חמצון אלקטרודות וחמצון אלקטרוליטים. המחקר נערך במשותף על ידי חוקרים מהאוניברסיטה הדרומית למדע וטכנולוגיה, אוניברסיטת מרכז דרום, האוניברסיטה הפוליטכנית המזרחית של Ningbo ומכון שנזן לחקר האנרגיה. המאמר פורסם ב-Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), המאמר מדגים טכנולוגיית התאוששות בעלת אנרגיה נמוכה ובעלת ליתיום גבוהה שיש לה משמעות רבה למתן מענה לביקוש הגובר לליתיום ולהפחתת טביעת הרגל הפחמנית.

עם הביקוש הגובר לליתיום בהתקני אחסון אנרגיה ניידים, שיטות מיצוי מסורתיות כגון מטלורגיה תרמית והידרו-מטלורגיה נכנסו לבדיקה גוברת של טביעת הרגל הסביבתית ופליטת CO2 גדולה.

שיטות אלה אינן רק עתירות אנרגיה אלא גם משתמשות בכימיקלים מסוכנים, מה שמעורר חששות לגבי קיימות ודלדול משאבים. סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) צופה שהמכרות הקיימים יוכלו לעמוד רק במחצית מהביקוש של תעשיית הליתיום עד 2030, מה שמדגיש את הדחיפות במציאת נתיבי שחזור ליתיום נקיים ויעילים יותר.

החוקרים הציעו מערכת אלקטרוכימית "חימצון כפול" של מי ים המשיגה טביעת רגל פחמנית נמוכה וקצב התאוששות גבוה של ליתיום על ידי שילוב של חמצון אלקטרודות וחמצון אלקטרוליטים. הם הדגימו התאוששות ליתיום מחומרי קתודה LiFePO4 שהושלכו עם שיעור התאוששות של 98.96% וטוהר המוצר של 99.60%.

באמצעות מחקרי מנגנון מעמיקים, נמצא כי חמצון האלקטרודות המונעות על ידי שדה חשמלי והאלקטרוליט החמצוני שנוצר במקום קידמו באופן סינרגטי את שטיפת יוני הליתיום באמצעות ההשפעות הסינרגטיות של חמצון אלמנטי המסגרת המבניים ופיצול קורוזיה של חלקיקים.

מנגנון חמצון כפול זה מקדם מיצוי ליתיום מהיר ויעילה, בעל אוניברסליות רחבה ומספק יתרונות כלכליים וסביבתיים משמעותיים.

תוצאות הניסוי מראות שמנגנון חמצון כפול זה מציג קינטיקה מהירה יותר ויעילות שטיפת ליתיום גבוהה יותר באלקטרוליטים שונים בהשוואה לשיטות שטיפת ליתיום אלקטרוכימיות מסורתיות.

בפרט, באלקטרוליט NaCl, יעילות שטיפת הליתיום הגיעה ל-88.7% תוך 40 דקות, וזה הרבה יותר גבוה מזה של אלקטרוליטים Na2SO4 ו-NaNO3.

בנוסף, הניסוי גם מצא שעם העלייה בריכוז Cl⁻, קינטיקה השטיפה של ליתיום מואצת, מה שמעיד על כך שמיני הכלור הפעיל שנוצר על ידי חמצון אלקטרוקטליטי יכול לקדם את פיצול חלקיקי LiFePO4, ובכך לשפר את קינטיקה השטיפה של Li⁺.

החוקרים גם חקרו את האבולוציה המבנית ברמה האטומית של האלקטרודה במהלך שטיפת ליתיום על ידי טכניקות כמו עקיפה של אבקת רנטגן (XRD), מיקרוסקופיה של אלקטרונים העברה במקום (TEM), ספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיית אלקטרונים (EELS) ו-X- ספקטרוסקופיה של פוטואלקטרון קרני (XPS).

טכניקות אלו חשפו את התפתחות המבנה הגבישי הדינמי של LiFePO4 במהלך תהליך החמצון הכפול, שבו Li⁺ חווה שטיפה חלקית ואי-סדר ב-LiFePO4 ולבסוף נמלט לחלוטין מערוץ המסגרת.

1. אוניברסליות של מנגנון החמצון הכפול

כדי להעריך את הישימות הרחבה יותר של מנגנון זה, החוקרים ערכו ניסויי שטיפה על מארחי ליתיום שונים ב-0.50 M NaCl אלקטרוליט, כולל פסולת סוללות ליתיום-יון המכילות LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 וסוללות המכילות ליתיום מינרל ספודומן.

תוצאות הניסוי מראות שמנגנון חמצון כפול זה מציג יעילות שטיפת ליתיום טובה במארחי ליתיום שונים אלה, מה שמוכיח את ישימותו הרחבה בהתאוששות ליתיום בר-קיימא.

2. מערכת אלקטרוליזה מי ים אלקטרוכימית

החוקרים שילבו עוד יותר את מנגנון החמצון הכפול הזה עם לוחות פוטו-וולטאיים כדי להניע את שטיפת הליתיום מפסולת LiFePO4. באמצעות אלקטרוליזר מי ים מרוכך רב-ערוצי, הם הדגימו שהמערכת יכולה להשיג יעילות שטיפת ליתיום של 94.87% בשלב הראשון בריכוזי NaCl גבוהים.

בשלב השני, האלקטרודות הושארו באלקטרוליט המחמצן שנוצר במקום למשך 10 שעות, וניתן היה לשפר עוד יותר את יעילות שטיפת הליתיום הסופית ל-98.96%. המערכת כולה דורשת רק צריכת אנרגיה של 0.054 קילו-שעה ק"ג⁻¹ כדי להחזיר 1.0 ק"ג של פסולת LiFePO4, ללא שימוש בכימיקלים מסוכנים או פליטת CO2.

3. יתרונות סביבתיים והערכה טכנית וכלכלית

החוקרים ערכו תועלת סביבתית מקיפה והערכה טכנית וכלכלית של מערכת השטיפה האלקטרוכימית הרב-ערוצית ותהליך ההתאוששות.

בהשוואה לשיטות תרמו-מטלורגיות והידרו-מטלורגיות קונבנציונליות, המערכת מציעה אלטרנטיבה בטוחה וידידותית יותר לסביבה על ידי הפחתת צריכת האנרגיה ופליטת גזי חממה תוך הגברת סלקטיביות הליתיום וקצב השטיפה.

מנקודת מבט טכנו-כלכלית, החוקרים סקרו בפירוט את כל העלויות ותזרי ההכנסה הקשורים, כולל עלויות פסולת של אבקת LiFePO4, צריכת אנרגיה, פחת בציוד, שימוש בריאגנטים כימיים והכנסות ממוצרים משוחזרים.

הניתוח הראה כי עלות ההשקעה הכוללת של שחזור ליתיום מ-1.0 ק"ג של אבקת LiFePO4 פסולת הייתה $2.86/ק"ג, עם זאת, הכנסה של $4.27/ק"ג נוצרה באמצעות מכירת Li2CO3 ו חיסכון ב-FePO4 וחשמל, וכתוצאה מכך רווח גולמי של 1.41 דולר לק"ג, המדגיש את הכדאיות הכלכלית של ליתיום דו-חמצני תהליך שטיפה והתאוששות.

מערכת אלקטרוכימית דו-אוקסידית זו משיגה התאוששות מהירה ויעילה של ליתיום ממגוון רחב של מטריצות מוצקות הנושאות ליתיום באמצעות מי ים. אפיון ברמה האטומית חושף את מנגנון הפעולה הסינרגטית של שדה חשמלי וחומרי חמצון שנוצרו במקום. למנגנון החמצון הכפול הזה יש פוטנציאל רב להחלמה יעילה של ליתיום מפסולת ליתיום-יון סוללות ומינרלים שונים, ויכולת המדרגיות שלו צפויה להיות בשימוש נרחב בהפקת מתכות מפתח אחרות בעתיד, כולל מיצוי ירוק של מתכות מפתח ישירות מ. מינרלים טבעיים ומכרות עירוניים אחרים.

שיטה ידידותית לסביבה זו מונעת אור לא רק משפרת את הקיימות הסביבתית, אלא גם משפרת את ההיתכנות הכלכלית, ומפחיתה משמעותית את פליטת הפחמן בהשוואה לשיטות המסורתיות. באופן רחב יותר, מערכת זו סוללת את הדרך למחזור ליתיום בר קיימא בלולאה סגורה שהוא ניטרלי פחמן באזורי החוף.