Con una corriente eléctrica y peróxido de hidrógeno, los investigadores de Penn State han desarrollado una forma más eficiente de extraer litio, un componente clave en las baterías utilizadas en vehículos eléctricos y dispositivos eléctricos portátiles, directamente del mineral que se encuentra en el espodumeno.
El proceso podría facilitar una reducción del 35,6% en el costo y una reducción del 75,3% en las emisiones de CO2 en comparación con los métodos de extracción tradicionales, menos sostenibles, según el equipo dirigido por Feifei Shi, profesor adjunto de ingeniería energética en Penn State. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Nature Communications .
Formas de extracción
Existen dos formas comunes de extraer litio: a través de grandes lagos de salmuera o a partir de mineral de litio enterrado en formaciones rocosas. Actualmente, el 70% del litio se extrae a través de salmueras debido a su bajo costo, pero ambas formas tienen efectos adversos sustanciales, según los investigadores.
El método de la salmuera puede llevar muchos meses y normalmente implica evaporar grandes lagos de una solución de sal altamente concentrada y separar químicamente la sal de litio de la de sodio. Una vez que la solución se evapora por completo, el suelo restante se vuelve casi estéril y no puede soportar mucha vida vegetal, según Zhang.
El otro método tradicional es la lixiviación del litio del mineral, lo que requiere ácidos o bases fuertes y temperaturas extremas de hasta 1.100 grados Celsius. A temperaturas elevadas, la densidad atómica de la espodumena se reduce, por lo que el ácido puede facilitar las reacciones químicas necesarias para reemplazar los iones de litio por iones de hidrógeno, liberando el litio para su extracción.
Mantener esa temperatura a escala comercial requiere un consumo sustancial de energía, mientras que la necesidad de ácido altamente concentrado agrega costos adicionales y riesgos de seguridad, según los investigadores.
“En primer lugar, basta pensar en la infraestructura pesada que se requiere para soportar ese calor a diario; es costosa y un peligro potencial para los trabajadores”, dijo Shi. “En segundo lugar, no podemos comprometer nuestro medio ambiente solo para producir litio. El potencial de una forma más sostenible de crear vehículos eléctricos podría actuar como multiplicador y ayudarnos a lograr emisiones netas cero”.
¿Cómo es el nuevo método?
El novedoso método del equipo de investigación aplica el campo eléctrico al mineral para lixiviar o disolver electroquímicamente los recursos de litio en estado sólido y convertirlos en una forma líquida soluble. En comparación con los métodos de lixiviación tradicionales, la disolución de los iones mediante electroquímica no requiere temperaturas elevadas, alta presión o alta concentración de agente lixiviante para cambiar el estado natural del mineral.
En los primeros ensayos, la corriente excitó los electrones del mineral, lo que liberó algunos iones de litio, pero no lo suficiente como para escalar el enfoque para una aplicación comercial optimizada. Shi recomendó utilizar peróxido de hidrógeno para promover la lixiviación, lo que reduciría las barreras de la reacción de lixiviación y facilitaría un transporte más eficiente de los electrones.
En sus estudios, los investigadores observaron una eficiencia del 92,2%, comparable a los métodos tradicionales. Sin embargo, su método requiere menos tiempo de procesamiento, ya que el mediador no agrega impurezas que requieran una separación adicional.
“Para extraer litio de la salmuera es necesario esperar a que el agua se evapore lentamente, no se puede controlar la velocidad con la que se produce la sal y solo se puede generar más aumentando la superficie, lo que genera más estanques de sal y más efectos adversos”, dijo Shi. “Sin embargo, con nuestro método podemos agregar tanta espodumena como queramos y simplemente aumentar la corriente eléctrica para generar o acelerar la reacción de lixiviación”.
Ahorro de costes y emisiones
Zhen Lei, profesor de economía energética y ambiental en Penn State y coautor del estudio, destacó la posible reducción de costos y emisiones de carbono en comparación con los métodos actuales.
“Un factor clave para el ahorro de costes y la reducción de emisiones es que nuestro método implica únicamente electricidad y de forma muy eficiente, a diferencia del método existente que utiliza tanto electricidad como gas natural como insumo energético”, afirmó Lei. “Otro factor clave para el ahorro de costes es que nuestro método implica muchos menos productos químicos. Si nuestro método puede funcionar bien en la extracción de litio a gran escala, tiene un gran potencial para reducir la huella ambiental”.
Para Zhang, el siguiente paso es desarrollar un método electroquímico para recuperar selectivamente el litio en precursores sólidos como cloruro de litio o hidróxido de litio que la industria pueda utilizar directamente.
“La lixiviación es solo el primer capítulo”, dijo Zhang. “Extrajimos litio de los minerales al agua, ahora necesitamos desarrollarlo en fase sólida para completar la historia”.
Shi dijo que hay más trabajo e investigación adicional por delante en Penn State.
“Realmente creemos que esto es una revolución”, afirmó Shi. “La electroquímica abrirá la puerta a muchas investigaciones interesantes e interdisciplinarias en torno a la minería o el procesamiento de minerales”.
Otros colaboradores de Penn State son Jianwei Lai, estudiante de posgrado de
ingeniería energética y mineral; Yang Yang, profesor adjunto de ciencias de la ingeniería y mecánica; y el asistente de investigación Joseph Wolf, estudiante de grado de ingeniería energética y mineral. Ying Han, que era investigador postdoctoral en ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State en el momento de la investigación y ahora se encuentra en la Universidad de California en Irvine, también colaboró.
La investigación fue apoyada por el Programa de Subvenciones Iniciales del Instituto de Energía y Medio Ambiente de Penn State, la Fundación Nacional de Ciencias de EEUU y el Departamento de Energía de EEUU a través del Programa de Investigación de Materiales Avanzados para Baterías.
galan
02/02/2025