Повсеместное использование перезаряжаемых устройств, от смартфонов до электромобилей, привело к стремительному росту спроса на литий-ионные аккумуляторы. Рынок литий-ионных батарей оценивается в $65 млрд, и ожидается, что он вырастет на 23% в течение следующих восьми лет. Литий — относительно легкий материал с высокой энергоемкостью, что делает его крайне ценным. Однако добыча этого элемента может нанести серьезный ущерб окружающей среде, а геополитическая нестабильность в регионах с богатыми литиевыми запасами создает угрозу для цепочек поставок. Согласно некоторым прогнозам, существующие литиевые рудники смогут удовлетворить лишь половину спроса к 2030 году.

Учитывая эти факторы, важно либо найти способы производить аккумуляторы без использования лития, либо искать новые источники его добычи, либо разрабатывать способы переработки лития из использованных батарей. Однако сейчас переработка лития занимает много времени, требует использования едких химикатов и приводит к извлечению менее 5% от общего количества изначально использованного элемента. Исследователи из Университета Райса нашли решение. Они применили химические вещества, известные как глубокие эвтектические растворители (ГЭР). Это экологически чистые жидкости, способные осаждать литий и другие металлы из раствора.

Низкая эффективность извлечения лития обусловлена тем, что он, как правило, осаждается в последнюю очередь после всех остальных металлов. Поэтому целью ученых было разработать метод, позволяющий селективно извлекать именно литий.

Исследователи использовали глубокий эвтектический растворитель, представляющий собой смесь хлорида холина и этиленгликоля. Литий, окруженный ионами хлорида, лучше растворяется в жидкости, что облегчает его извлечение из твердых материалов.

Обычно для осаждения металлов из соединения требуется нагревание, и в случае соединений лития в качестве источника тепла обычно используется масляная баня. Однако этот процесс занимает много времени, в течение которого соединения лития могут начать разлагаться. Чтобы ускорить процесс, команда использовала микроволны. Хлорид холина, который приводит к изоляции лития, как раз хорошо поглощает микроволновое излучение.

Увеличение скорости было впечатляющим. Исследователи смогли осадить литий почти в 100 раз быстрее, чем в масляной ванне. Фактически, им потребовалось всего 15 минут, чтобы вернуть 87% лития — процесс, который занял бы 12 часов при использовании масляной ванны.

Использование микроволнового излучения позволило достичь селективного выщелачивания (извлечения) лития относительно других металлов. Механизм этого процесса аналогичен принципу работы домашней микроволновой печи: энергия передается непосредственно молекулам, что ускоряет реакцию по сравнению с традиционными методами нагрева. Путем регулирования состава глубоко эвтектических растворителей можно извлекать из батарей и другие элементы, например, кобальт или никель. Ученые подчеркивают экологическую безопасность разработанной методики.