Спрос на литий стремительно растет из-за развития электротранспорта и возобновляемой энергетики. Согласно отчету McKinsey & Co, спрос на него увеличится с 500 тыс. тонн в 2021 году до предполагаемых 3–4 млн тонн к 2030 году. Основной метод его добычи — испарение соляных растворов в открытых бассейнах под солнцем в течение года или более. Этот длительный и ресурсоемкий процесс часто сопровождается использованием токсичных химикатов. Метод также сильно зависит от климатических условий. Природными источниками лития выступают соленые озера и горячие источники. Вещество также может быть побочным продуктом нефтегазовой промышленности и опреснения морской воды.
Ученые разрабатывают новые методы добычи лития, которые были бы дешевле, эффективнее и безопаснее для окружающей среды. Перспективным направлением является прямая экстракция лития, позволяющая отказаться от использования больших испарительных бассейнов. Новое исследование предлагает использовать для этой цели редокс-парный электродиализ (redox-couple electrodialysis, RCE). Разработчики называют его «многообещающей альтернативой существующим методам извлечения и потенциальным переломным моментом в цепочке поставок лития».
Новый метод использует электричество для перемещения лития через твердотельную электролитную мембрану из воды с низкой концентрацией лития в более концентрированный и чистый раствор. Каждая ячейка в системе постепенно увеличивает концентрацию лития, упрощая финальную химическую изоляцию. Этот подход требует менее 10% электроэнергии по сравнению с текущими технологиями извлечения лития из рассолов и обеспечивает почти 100% селективность лития.
По оценкам исследователей, новый метод позволяет получать гидроксид лития высокой чистоты по цене $3500-4400 за тонну. Такой гидроксид легко преобразовать в карбонат лития для батарей. Традиционный метод добычи лития из рассолов значительно дороже и стоит около $9100 за тонну. При этом текущая рыночная цена карбоната лития составляет $15 000 за тонну, но в периоды дефицита может достигать $80 000 за тонну. Основной фактор снижения затрат — отказ от использования дорогостоящих солнечных испарительных бассейнов. Также существенно снижается потребление ресурсов, таких как электроэнергия, вода и химические реагенты. Новый подход не требует землепользования, что снижает экологический след производства лития.
Метод успешно масштабируется. Даже при увеличении масштаба в четыре раза он сохраняет высокую эффективность и селективность, что открывает перспективы для промышленного применения. Технология применима к широкому спектру соленых вод, отличающихся по содержанию лития, натрия и калия. Эксперименты показали, что метод может извлекать литий, например, из сточных вод, образующихся при добыче нефти. Потенциально ее можно использовать для извлечения лития из морской воды, в которой концентрация лития ниже, чем в рассолах. Сегодня это не является коммерчески выгодным.
Несмотря на достигнутые результаты, ученым есть над чем работать. Эксперименты с двумя версиями метода продемонстрировали, что более высокая скорость извлечения лития связана с повышенным энергопотреблением и более быстрой деградацией мембраны. Медленная экстракция, хотя и менее производительна, обеспечивает более длительный срок службы мембраны и меньшие эксплуатационные расходы. В дальнейшем исследователи планируют оптимизировать конструкцию устройства для ускорения процесса извлечения лития без ущерба для стабильности мембраны. Кроме того, ученые не продемонстрировали извлечение лития из морской воды.
