Meiqi Yang, studente laureato in ingegneria civile e ambientale e uno degli autori principali dello studio, lavora su una tecnologia basata su stringhe che estrae sali di litio da una soluzione salina. (Foto di Bumper DeJesus, tramite l’Università di Princeton)
Componente vitale delle batterie, cuore dei veicoli elettrici e dello stoccaggio dell’energia in rete, il litio è fondamentale per un futuro di energia pulita. Ma la produzione del metallo bianco-argenteo comporta costi ambientali significativi. Tra questi c’è la grande quantità di terra e il tempo necessari per estrarre il litio dall’acqua salmastra, con grandi operazioni che si estendono nell’ordine di decine di miglia quadrate e spesso richiedono più di un anno per iniziare la produzione.
Ora, i ricercatori di Princeton hanno sviluppato una tecnica di estrazione che riduce drasticamente la quantità di terra e il tempo necessari per la produzione di litio. I ricercatori affermano che il loro sistema può migliorare la produzione negli impianti di litio esistenti e sbloccare fonti precedentemente considerate troppo piccole o diluite per essere utili.
Il nucleo della tecnica, descritto il 7 settembre in Natura Acqua, è un insieme di fibre porose attorcigliate in corde, che i ricercatori hanno progettato per avere un nucleo amante dell’acqua e una superficie idrorepellente. Quando le estremità vengono immerse in una soluzione di acqua salata, l’acqua risale le corde attraverso un’azione capillare, lo stesso processo utilizzato dagli alberi per attirare l’acqua dalle radici alle foglie. L’acqua evapora rapidamente dalla superficie di ciascuna corda, lasciando dietro di sé ioni salini come sodio e litio. Man mano che l’acqua continua ad evaporare, i sali diventano sempre più concentrati e alla fine formano cristalli di cloruro di sodio e cloruro di litio sulle corde, consentendo una facile raccolta.
Sulla superficie delle corde si formano dei sali. (Foto di Bumper DeJesus, tramite l’Università di Princeton)
Oltre a concentrare i sali, la tecnica fa sì che il litio e il sodio cristallizzino in punti distinti lungo la corda a causa delle loro diverse proprietà fisiche. Il sodio, a bassa solubilità, cristallizza nella parte inferiore del filo, mentre i sali di litio altamente solubili cristallizzano nella parte superiore. La separazione naturale ha permesso al team di raccogliere individualmente litio e sodio, un’impresa che in genere richiede l’uso di sostanze chimiche aggiuntive.
“Abbiamo mirato a sfruttare i processi fondamentali di evaporazione e azione capillare per concentrare, separare e raccogliere il litio”, ha affermato Z. Jason Ren, professore di ingegneria civile e ambientale presso l’Andlinger Center for Energy and the Environment di Princeton e leader del gruppo di ricerca. “Non abbiamo bisogno di applicare sostanze chimiche aggiuntive, come nel caso di molte altre tecnologie di estrazione, e il processo consente di risparmiare molta acqua rispetto ai tradizionali approcci di evaporazione”.
L’offerta limitata di litio rappresenta un ostacolo alla transizione verso una società a basse emissioni di carbonio, ha aggiunto Ren. “Il nostro approccio è economico, facile da usare e richiede pochissima energia. È una soluzione rispettosa dell’ambiente per una sfida energetica cruciale”.
Uno stagno di evaporazione su una corda
L’estrazione convenzionale della salamoia prevede la costruzione di una serie di enormi bacini di evaporazione per concentrare il litio proveniente da saline, laghi salati o falde acquifere sotterranee. Il processo può richiedere da diversi mesi ad alcuni anni. Le operazioni sono commercialmente fattibili solo in una manciata di località in tutto il mondo che hanno concentrazioni iniziali di litio sufficientemente elevate, un’abbondanza di terra disponibile e un clima arido per massimizzare l’evaporazione. Ad esempio, negli Stati Uniti esiste una sola operazione attiva di estrazione del litio a base di salamoia, situata nel Nevada e che copre oltre sette miglia quadrate.
La tecnica delle corde è molto più compatta e può iniziare a produrre litio molto più rapidamente. Anche se i ricercatori avvertono che sarà necessario ulteriore lavoro per portare la loro tecnologia dal laboratorio a una scala industriale, stimano che ciò possa ridurre la quantità di terreno necessaria di oltre il 90% rispetto alle operazioni attuali e possa accelerare il processo di evaporazione di oltre il 90%. 20 volte rispetto ai tradizionali stagni di evaporazione, producendo potenzialmente i primi raccolti di litio in meno di un mese.
Operazioni rapide, compatte e a basso costo potrebbero ampliare l’accesso per includere nuove fonti di litio, come pozzi di petrolio e gas in disuso e salamoie geotermiche, che sono attualmente troppo piccole o troppo diluite per l’estrazione del litio. I ricercatori hanno affermato che il tasso di evaporazione accelerato potrebbe consentire il funzionamento anche in climi più umidi. Stanno anche studiando se la tecnologia consentirebbe l’estrazione del litio dall’acqua di mare.
“Il nostro processo è come mettere uno stagno di evaporazione su una corda, permettendoci di ottenere raccolti di litio con un ingombro spaziale significativamente ridotto e con un controllo più preciso del processo”, ha affermato Sunxiang (Sean) Zheng, coautore dello studio ed ex distinto postdottorato dell’Andlinger Center Compagno. “Se ridimensionati, potremmo aprire nuove prospettive per l’estrazione del litio rispettosa dell’ambiente”.
Poiché i materiali per produrre le corde sono economici e la tecnologia non richiede trattamenti chimici per funzionare, i ricercatori hanno affermato che con ulteriori miglioramenti, il loro approccio sarebbe un forte candidato per un’adozione diffusa. Nel documento, i ricercatori hanno dimostrato la potenziale scalabilità del loro approccio costruendo una serie di 100 stringhe per l’estrazione del litio.
Il team di Ren sta già sviluppando una seconda generazione della tecnica che consentirà una maggiore efficienza, una produttività più elevata e un maggiore controllo sul processo di cristallizzazione. Attribuisce alla Princeton Catalysis Initiative il merito di aver fornito un supporto iniziale fondamentale per consentire collaborazioni di ricerca creative. Inoltre, il suo team ha recentemente ricevuto un NSF Partnerships for Innovation Award e un premio dall’Intellectual Property (IP) Accelerator Fund di Princeton per sostenere il processo di ricerca e sviluppo, comprese le modalità per modificare l’approccio per estrarre altri minerali critici oltre al litio. Insieme a Kelsey Hatzell, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e dell’Andlinger Center for Energy and the Environment, Ren ha anche ricevuto finanziamenti iniziali dal Princeton Center for Complex Materials per comprendere meglio il processo di cristallizzazione.
Zheng sta guidando il lancio di una startup, PureLi Inc., per avviare il processo di perfezionamento della tecnologia ed eventualmente portarla sul mercato più ampio. Zheng è stato selezionato come uno dei quattro ricercatori nel gruppo inaugurale di START Entrepreneurs a Princeton, una borsa di studio accademica e un acceleratore di startup progettato per promuovere l’imprenditorialità inclusiva.
“Come ricercatore, sai in prima persona che molte nuove tecnologie sono troppo costose o difficili da scalare”, ha affermato Zheng. “Ma siamo molto entusiasti di questo e, con alcuni ulteriori miglioramenti in termini di efficienza, riteniamo che abbia un potenziale incredibile per avere un impatto reale sul mondo”.
Una serie di collaboratori
Ren ha affermato che la scoperta rivoluzionaria è stata resa possibile grazie a un ampio sforzo di collaborazione tra gruppi di ricerca di Princeton e dell’Università del Maryland.
Ad esempio, la collaborazione con Liangbing Hu, professore distinto Herbert Rabin presso il Dipartimento di ingegneria meccanica dell’Università del Maryland, ha ispirato i ricercatori a utilizzare e trattare il materiale in fibra per massimizzare l’efficienza della tecnologia.
Il gruppo di ricerca di Ren si è rivolto anche a Howard Stone, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale Donald R. Dixon del ’69 ed Elizabeth W. Dixon, e a Fernando Temprano-Coleto, un distinto ricercatore post-dottorato dell’Andlinger Center che lavora con Stone, per comprendere e modellare i fondamentali meccanica dei fluidi e processi di trasporto che sono alla base delle impressionanti capacità di raccolta del litio delle corde.
Ren (al centro) esamina i dati con Sean Zheng. (Foto di Bumper DeJesus, tramite l’Università di Princeton)
“Una volta che si arriva a una descrizione matematica del processo, non solo si può capire ciò che si è già osservato, ma si acquisisce anche potere predittivo”, ha affermato Temprano-Coleto. “Con un modello in atto, puoi iniziare a giocare con le variabili per ottimizzare il processo e capire come funzionerà in condizioni diverse.”
Il team di Ren ha sfruttato l’esperienza nella caratterizzazione dei materiali di Nan Yao, professoressa presso il Princeton Materials Institute, e le strutture uniche disponibili presso l’Imaging and Analysis Center di Princeton per caratterizzare la struttura e la disposizione spaziale dei materiali. Yao è il direttore del centro.
“È difficile rilevare un elemento come il litio utilizzando le tradizionali tecniche di caratterizzazione perché è così leggero, con solo tre elettroni coinvolti che emettono un segnale a raggi X molto debole”, ha affermato Yao. “Fortunatamente, presso il Centro di imaging e analisi, disponiamo di una suite di strumenti all’avanguardia e di fascia alta che ci hanno permesso di raccogliere le informazioni di cui avevamo bisogno.”
Yao e Guangming Cheng, uno studioso di ricerca associato nel gruppo di Yao, hanno lavorato con l’autore principale Xi Chen, ex studioso di ricerca associato in ingegneria civile e ambientale nel laboratorio Ren che ora è professore associato presso l’Università di Tsinghua, per utilizzare una tecnica avanzata nota come spettroscopia di perdita di energia degli elettroni insieme alla microscopia elettronica a trasmissione a scansione per caratterizzare la disposizione spaziale di litio e sodio lungo le corde. Il loro lavoro ha rivelato che il litio e il sodio si separavano l’uno dall’altro verticalmente lungo la corda e radialmente, con il sodio che cristallizzava principalmente sulla superficie delle corde intrecciate e il litio che si concentrava al centro. La scoperta potrebbe ispirare gli sforzi in corso per aumentare l’efficienza dell’approccio esistente.
“Ciascuno dei nostri collaboratori ha contribuito con un contributo di fondamentale importanza al nostro lavoro, dalla scoperta dei processi fondamentali alla base dell’elevata efficienza della nostra tecnologia alla caratterizzazione dei materiali finali”, ha affermato Ren. “Non avremmo potuto portare a termine il nostro lavoro senza l’esperienza di tutti i partecipanti al progetto.”
L’articolo, “Cristallizzazione spazialmente separata per l’estrazione selettiva del litio dall’acqua salina”, è stato pubblicato online il 7 settembre su Nature Water. Oltre a Ren, Zheng, Hu, Temprano-Coleto, Stone, Yao, Cheng e Chen, gli autori dello studio includono Meiqi Yang dell’Università di Princeton e Qi Dong dell’Università del Maryland.
Di Colton Poore, Centro Andlinger per l’energia e l’ambiente, Università di Princeton
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