الکترولیز آب دریا با اکسیداسیون دوگانه فتوولتائیک برای بازیابی پایدار لیتیوم

این مقاله درباره یک سیستم الکتروشیمیایی جدید الکترولیز آب دریا "اکسیداسیون دوگانه" است که با ترکیب اکسیداسیون الکترود و اکسیداسیون الکترولیت به بازیابی پایدار لیتیوم دست می یابد. این تحقیق به طور مشترک توسط محققان دانشگاه علوم و فناوری جنوبی، دانشگاه مرکزی جنوبی، دانشگاه پلی تکنیک شرقی نینگبو و موسسه تحقیقات انرژی شنژن انجام شد. این مقاله که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده است، یک فناوری بازیابی با انرژی کم و لیتیوم بالا را نشان می دهد که برای رسیدگی به تقاضای رو به رشد لیتیوم و کاهش ردپای کربن از اهمیت زیادی برخوردار است.

با افزایش تقاضا برای لیتیوم در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی قابل حمل، روش‌های استخراج سنتی مانند متالورژی حرارتی و هیدرومتالورژی به دلیل ردپای زیست‌محیطی و انتشار زیاد CO2 مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

این روش‌ها نه تنها انرژی بر هستند، بلکه از مواد شیمیایی خطرناک نیز استفاده می‌کنند و نگرانی‌هایی را در مورد پایداری و کاهش منابع ایجاد می‌کنند. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) پیش‌بینی می‌کند که معادن موجود تا سال 2030 تنها قادر به تامین نیمی از تقاضای صنعت لیتیوم خواهند بود و این امر ضرورت یافتن مسیرهای بازیابی لیتیوم پاک‌تر و کارآمدتر را برجسته می‌کند.

محققان یک سیستم الکتروشیمیایی "اکسیداسیون دوگانه" الکترولیز آب دریا را پیشنهاد کردند که با ترکیب اکسیداسیون الکترود و اکسیداسیون الکترولیت، ردپای کربن پایین و نرخ بازیابی لیتیوم بالا را به دست می آورد. آنها بازیابی لیتیوم را از مواد کاتد LiFePO4 دور ریخته شده با نرخ بازیابی 98.96٪ و خلوص محصول 99.60٪ نشان دادند.

از طریق مطالعات مکانیزم عمیق، مشخص شد که اکسیداسیون الکترود مبتنی بر میدان الکتریکی و الکترولیت اکسیداتیو تولید شده در محل، به طور هم افزایی، شسته شدن یون های لیتیوم را از طریق اثرات هم افزایی اکسیداسیون عناصر چارچوب ساختاری و تقسیم خوردگی ذرات، ترویج می کنند.

این مکانیسم اکسیداسیون دوگانه استخراج سریع و کارآمد لیتیوم را ترویج می‌کند، جهانی بودن گسترده‌ای دارد و مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی را ارائه می‌کند.

نتایج تجربی نشان می‌دهد که این مکانیسم اکسیداسیون دوگانه، سینتیک سریع‌تر و راندمان لیچینگ لیتیوم بالاتر در الکترولیت‌های مختلف در مقایسه با روش‌های سنتی لیچینگ لیتیوم الکتروشیمیایی نشان می‌دهد.

به طور خاص، در الکترولیت NaCl، بازده لیچ لیتیوم در عرض 40 دقیقه به 88.7 درصد رسید که بسیار بیشتر از الکترولیت های Na2SO4 و NaNO3 است.

علاوه بر این، این آزمایش همچنین نشان داد که با افزایش غلظت Cl-، سینتیک شستشوی لیتیوم تسریع می‌یابد، که نشان می‌دهد گونه‌های کلر فعال تولید شده توسط اکسیداسیون الکتروکاتالیستی می‌توانند شکافتن ذرات LiFePO4 را تقویت کنند و در نتیجه سینتیک لیچینگ Li+ را بهبود بخشند.

محققان همچنین تکامل ساختاری در سطح اتمی الکترود را در طول شستشوی لیتیوم با تکنیک‌هایی مانند پراش پرتو ایکس پودر درجا (XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری درجا (TEM)، طیف‌سنجی از دست دادن انرژی الکترونی (EELS) و X- مورد مطالعه قرار دادند. طیف سنجی فوتوالکترون پرتو (XPS).

این تکنیک‌ها تکامل ساختار کریستالی پویا LiFePO4 را در طی فرآیند اکسیداسیون دوگانه نشان دادند، که در آن Li+ شستشوی جزئی و اختلال در LiFePO4 را تجربه کرد و در نهایت به طور کامل از کانال چارچوب فرار کرد.

1. جهانی بودن مکانیسم اکسیداسیون دوگانه

برای ارزیابی کاربرد وسیع‌تر این مکانیسم، محققان آزمایش‌های لیچینگ را بر روی میزبان‌های مختلف لیتیوم در الکترولیت NaCl 0.50 مولار انجام دادند، از جمله باتری‌های لیتیوم یونی حاوی LiCoO2، LiMn2O4، Li(NixCoyMnz)O2 و لیتیوم حاوی اسپودومن معدنی

نتایج تجربی نشان می‌دهد که این مکانیسم اکسیداسیون دوگانه، کارایی لیچینگ لیتیوم خوبی را در این میزبان‌های مختلف لیتیوم نشان می‌دهد، که کاربرد وسیع آن را در بازیابی پایدار لیتیوم نشان می‌دهد.

2. سیستم الکترولیز آب دریا الکتروشیمیایی

محققان بیشتر این مکانیسم اکسیداسیون دوگانه را با پانل های فتوولتائیک ترکیب کردند تا لیتیوم را از زباله LiFePO4 هدایت کنند. با استفاده از یک الکترولیز آب دریا نرم شده چند کاناله، آنها نشان دادند که این سیستم می تواند در مرحله اول در غلظت های بالای نمک طعام به راندمان لیتیوم 94.87 درصد دست یابد.

در مرحله دوم، الکترودها به مدت 10 ساعت در الکترولیت اکسید کننده تولید شده در محل باقی ماندند و راندمان لیچینگ نهایی لیتیوم را می‌توان تا 98.96% افزایش داد. کل سیستم فقط به مصرف انرژی 0.054 کیلووات ساعت کیلوگرم-1 برای بازیابی 1 کیلوگرم ضایعات LiFePO4 بدون استفاده از مواد شیمیایی خطرناک یا انتشار CO2 نیاز دارد.

3. مزایای زیست محیطی و ارزیابی فنی و اقتصادی

محققان مزایای زیست محیطی جامع و ارزیابی فنی و اقتصادی این سیستم شستشوی چند کاناله الکتروشیمیایی و فرآیند بازیابی را انجام دادند.

در مقایسه با روش‌های متالورژیکی و هیدرومتالورژیکی مرسوم، این سیستم با کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای و در عین حال افزایش انتخاب لیتیوم و نرخ شستشو، جایگزین ایمن‌تر و سازگار با محیط‌زیست را ارائه می‌دهد.

از منظر فنی-اقتصادی، محققان تمام هزینه‌ها و جریان‌های درآمد مرتبط، از جمله هزینه‌های پودر ضایعات LiFePO4، مصرف انرژی، استهلاک تجهیزات، استفاده از معرف‌های شیمیایی و درآمد حاصل از محصولات بازیافتی را با جزئیات بررسی کردند.

تجزیه و تحلیل نشان داد که کل هزینه سرمایه گذاری برای بازیابی لیتیوم از 1.0 کیلوگرم پودر ضایعات LiFePO4 2 دلار است. پس انداز FePO4 و برق، که منجر به سود ناخالص 1.41 دلار به ازای هر کیلوگرم می شود، که دوام اکسید را برجسته می کند. فرآیند لیچینگ و بازیابی لیتیوم

این سیستم الکترولیز دو اکسید الکتروشیمیایی به بازیابی سریع و کارآمد لیتیوم از طیف گسترده ای از ماتریس های جامد دارای لیتیوم با استفاده از آب دریا دست می یابد. خصوصیات سطح اتمی مکانیسم عمل هم افزایی میدان الکتریکی و اکسیدان های تولید شده در محل را نشان می دهد. این مکانیزم اکسیداسیون دوگانه دارای پتانسیل بالایی برای بازیابی کارآمد لیتیوم از باتری‌های ضایعات لیتیوم یونی و مواد معدنی است و انتظار می‌رود مقیاس پذیری آن به طور گسترده در استخراج سایر فلزات کلیدی در آینده مورد استفاده قرار گیرد، از جمله استخراج سبز فلزات کلیدی به طور مستقیم از مواد معدنی طبیعی و سایر معادن شهری

این روش سازگار با محیط زیست مبتنی بر نور نه تنها پایداری زیست محیطی را بهبود می بخشد، بلکه امکان سنجی اقتصادی را نیز بهبود می بخشد و انتشار کربن را به میزان قابل توجهی در مقایسه با روش های سنتی کاهش می دهد. به طور گسترده تر، این سیستم راه را برای یک چرخه لیتیوم با حلقه بسته و پایدار هموار می کند که در مناطق ساحلی از کربن خنثی است.