• Una electrodiálisis de par redox eficiente para lograr una extracción sostenible de Li
• Voltaje de equilibrio cero y sobrepotencial bajo para electrodiálisis de par redox•
• Extracción de Li con un voltaje ultrabajo, una alta eficiencia y una alta selectividad.•
• Un coste sustancialmente reducido en comparación con las rutas de extracción de Li convencionales•

“Los beneficios en términos de eficiencia y costo inherentes a nuestro enfoque lo convierten en una alternativa prometedora a las técnicas de extracción actuales y un potencial cambio radical para la cadena de suministro de litio”  Yi COAutor principal y profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

Muchos científicos están buscando métodos de extracción de litio menos costosos y más eficientes, confiables y respetuosos con el medio ambiente. Por lo general, se trata de una extracción directa de litio que evita los grandes estanques de evaporación. El nuevo estudio informa sobre los resultados de un nuevo método que utiliza un enfoque conocido como “electrodiálisis de par redox” o RCE, junto con estimaciones de costos.

Yi Cui

“Los beneficios en términos de eficiencia y costo inherentes a nuestro enfoque lo convierten en una alternativa prometedora a las técnicas de extracción actuales y un potencial cambio de juego para la cadena de suministro de litio”, dijo Yi Cui , autor principal del estudio y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería .

El equipo de investigación estima que su método cuesta entre 3.500 y 4.400 dólares por tonelada de hidróxido de litio de alta pureza, que se puede convertir en carbonato de litio apto para baterías de forma económica, en comparación con los costes de unos 9.100 dólares por tonelada de la tecnología dominante para extraer litio de la salmuera. El precio de mercado actual del carbonato de litio apto para baterías es de casi 15.000 dólares por tonelada, pero una escasez a finales de 2022 hizo que el volátil precio del mercado del litio llegara a los 80.000 dólares.

Satisfacer la creciente demanda

Hasta ahora, el litio ha desempeñado un papel fundamental en la transición global hacia la energía sostenible. Se espera que la demanda de litio aumente de aproximadamente medio millón de toneladas métricas en 2021 a un estimado de 3 a 4 millones de toneladas métricas para 2030, según un informe de McKinsey & Co. Este marcado aumento se debe principalmente a la rápida adopción de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable, ambos muy dependientes de las baterías

Tradicionalmente, el litio se ha extraído de rocas minadas, un método que es incluso más costoso, consume más energía y utiliza sustancias químicas tóxicas que la extracción con salmuera. Como resultado, el método dominante para la extracción de litio en la actualidad ha pasado a ser la evaporación de salmueras de lagos salados, aunque todavía con altos costos financieros y ambientales. Este método también depende en gran medida de condiciones climáticas específicas que limitan el número de lagos salados comercialmente viables, lo que pone en duda la capacidad de la industria del litio para satisfacer la creciente demanda.

El nuevo método de Cui y su equipo utiliza electricidad para mover el litio a través de una membrana electrolítica de estado sólido desde agua con una baja concentración de litio hasta una solución más concentrada y de alta pureza. Cada una de una serie de celdas aumenta la concentración de litio hasta una solución de la que el aislamiento químico final es relativamente fácil. Este enfoque utiliza menos del 10% de la electricidad requerida por la tecnología actual de extracción con salmuera y tiene una selectividad de litio de casi el 100%, lo que lo hace muy eficiente.

Rong Xu

“Las ventajas que presenta nuestro enfoque en comparación con las técnicas de extracción de litio convencionales mejoran su viabilidad en una producción de litio ecológica y rentable”, afirmó el coautor principal del estudio, Rong Xu , ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Cui, ahora miembro de la facultad de la “Con el tiempo, esperamos que nuestro método haga avanzar significativamente el transporte eléctrico y la capacidad de almacenar energía renovable”.

Beneficios ambientales y de costo

El estudio incluye un breve análisis técnico-económico que compara los costos de la extracción actual de litio con los del método RCE. Se espera que el nuevo método sea relativamente económico debido principalmente a los menores costos de capital. Elimina la necesidad de estanques de evaporación solar a gran escala, que son costosos de construir y mantener. El uso de mucha menos electricidad, agua y agentes químicos del nuevo método, además de los beneficios de sostenibilidad, reduce aún más los costos.

Al evitar el uso extensivo de la tierra y el consumo de agua de los métodos tradicionales, el enfoque RCE también reduce la huella ecológica de la producción de litio.

El método RCE funciona con una variedad de aguas salinas, incluidas aquellas con concentraciones variables de litio, sodio y potasio. Los experimentos del estudio demostraron que la nueva tecnología podría extraer litio, por ejemplo, de las aguas residuales resultantes de la producción de petróleo. Podría utilizarse potencialmente para extraer litio del agua de mar, que tiene concentraciones de litio más bajas que las salmueras. La extracción de litio del agua de mar mediante métodos convencionales no es comercialmente viable en la actualidad.

Ge Zhang

“Las técnicas de extracción directa de litio como la nuestra se han estado desarrollando durante un tiempo. Las principales tecnologías en competencia hasta la fecha tienen inconvenientes importantes, como la incapacidad de operar de forma continua, los altos costos energéticos o la eficiencia relativamente baja”, dijo Ge Zhang , investigador postdoctoral de Stanford y coautor del estudio. “Nuestro método parece no tener ninguno de estos inconvenientes. Su funcionamiento continuo podría contribuir a un suministro de litio más confiable y calmar el volátil mercado del litio”.

Mirando hacia el futuro

La escalabilidad del método RCE también es prometedora. En experimentos en los que se multiplicó por cuatro la escala del dispositivo, el método RCE siguió funcionando bien, y tanto la eficiencia energética como la selectividad del litio se mantuvieron muy altas.

“Esto sugiere que el método podría aplicarse a escala industrial, convirtiéndolo en una alternativa viable a las tecnologías de extracción actuales”, afirmó Cui.

Sin embargo, el estudio destaca algunas áreas para futuras investigaciones y desarrollos. Los investigadores experimentaron con dos versiones de su método. Una extraía el litio más rápidamente y consumía más electricidad. La otra era más lenta y consumía menos electricidad. La extracción más lenta dio como resultado menores costos y una membrana más estable para extraer el litio de manera continua y durante un tiempo prolongado, en comparación con la extracción más rápida. Bajo altas densidades de corriente y un flujo de agua más rápido, las membranas se degradaron, lo que llevó a una reducción de la eficiencia con el tiempo. Aunque esto no fue evidente en el experimento de extracción más lenta, los investigadores quieren optimizar el diseño de su dispositivo para una extracción potencialmente más rápida. Ya están probando otros materiales prometedores para la membrana.

Además, los investigadores no demostraron la extracción de litio del agua de mar en este estudio.

“En principio, nuestro método también es aplicable al agua de mar, pero podría haber problemas de estabilidad de la membrana en el agua de mar”, dijo Zhang.

Aún así, el equipo sigue siendo bastante optimista.

“A medida que avanza nuestra investigación, creemos que nuestro método podría pasar pronto del laboratorio a aplicaciones industriales a gran escala”, afirmó Xu.

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