Прогнозируется, что по мере того, как промышленность по всей стране начнет переход на возобновляемые источники энергии, спрос на батареи и, следовательно, на литий резко возрастет. Но поскольку большая часть мировых поставок лития находится за пределами Соединенных Штатов, исследователи ищут новые методы его извлечения из местных, хотя и несколько нетрадиционных источников, таких как нефтяные сточные воды и геотермальные рассолы.

Одним из наиболее многообещающих методов экстракции является электрохимическая интеркаляция, процесс, в котором электроды извлекают литий из непригодной для использования воды. До недавнего времени технология не достигала желаемого уровня селективности по литию для чрезвычайно разбавленных водных ресурсов.

Теперь исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (PME) показали, что «засевание» электродов ионами лития может помочь повысить селективность хозяина по литию и отталкивать нежелательные элементы. Их выводы были опубликованы в Nature Communications.

Материальное различие

В химии интеркаляция — это процесс, при котором «гостевые» ионы втягиваются в «хозяин» и сохраняются внутри него, причем последний действует как своего рода молекулярный улей. Этот процесс также является обратимым, то есть одни и те же ионы могут быть извлечены, и процесс может повторяться снова и снова. Это ключевой механизм перезаряжаемых батарей.

При использовании для извлечения лития электрохимическая интеркаляция зависит от материала-хозяина — в данном случае, фосфата оливина железа (тип кристалла), — который особенно хорошо подходит для привлечения и хранения ионов лития. Хотя оливин-фосфат железа широко изучен и является одним из наиболее подходящих материалов для работы, он далек от совершенства. Конкурирующие ионы часто втягиваются в основной материал вместе с литием, такими элементами, как натрий, которые снижают эффективность системы.

Лю и ее команда хотели понять, что вызвало эти коинтеркаляции и что произошло, когда два иона оказались внутри кристалла.

Работая с исследователями из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, Лю и ее команда использовали просвечивающую электронную микроскопию , чтобы заглянуть внутрь своего материала-хозяина. Они обнаружили, что литий и натрий имели тенденцию разделяться, когда им давался шанс. Это говорит о том, что ионы лития и натрия отталкиваются друг от друга внутри кристаллического материала, почти так же, как масло и вода разделяются при смешивании — процесс, называемый фазовым разделением.

Чтобы подтвердить это поведение, команда разработала вычислительные модели в сотрудничестве с исследователями из Иллинойского технологического института.

«Было замечательно видеть, как эта фаза ионов разделилась на два разных домена, где один домен был только литием, а другой — только натрием», — сказал Лю. «Это заставило нас задуматься, как мы можем использовать его для повышения селективности по литию».

Посев семян исследования

Основываясь на своих выводах, Лю и ее команда разработали систему для предварительного засева оливинового носителя литием. Они предположили, что это увеличит энергетический барьер для ионов натрия , что затруднит проникновение нежелательных элементов в хозяина.

Они обнаружили, что засев от 20 до 40 процентов всех мест хранения материалов-хозяев может увеличить селективность в 1,6 и 3,8 раза соответственно. Фазы твердого раствора с высоким содержанием лития с затравкой показали сильную корреляцию с повышением селективности.

Команда также заметила, что несколько факторов, в том числе морфология и дефекты хозяина, способствовали селективности лития, предлагая несколько направлений для дальнейших исследований. В будущих исследованиях будут изучены идеальные условия посева и морфология хозяина, чтобы максимизировать селективность по литию.

«Мы продемонстрировали эффективный способ управления кинетическими путями в материале-хозяине», — сказал Лю. «Если вы можете контролировать литий-натриевый путь, у вас есть мощный рычаг для влияния на селективность по литию. Это осознание открывает двери для дальнейших исследований и, в конечном итоге, устойчивой системы для извлечения лития».