Recherche détaillée Méthode pour obtenir du lithium efficace et respectueux de l’environnement

Le professeur adjoint Chong Liu de l’école de génie moléculaire de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME)  de l’Université de Chicago a découvert les particules idéales pour isoler efficacement le lithium de l’eau de mer, des eaux souterraines ou d’autres sources diluées du minéral.
 
Alors que le marché des véhicules électriques est en plein essor, la demande de lithium, le prix du minéral nécessaire aux batteries lithium-ion a également grimpé en flèche. La production mondiale de lithium a plus que triplé au cours de la dernière décennie. Mais les méthodes actuelles d’extraction du lithium à partir de minerais de roche ou de saumures sont lentes et entraînent des besoins énergétiques et des coûts environnementaux élevés. Ils ont également besoin de sources de lithium qui sont incroyablement concentrées au départ et que l’on ne trouve que dans quelques pays.
 
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont mis au point une nouvelle méthode d’extraction du lithium à partir de sources plus diluées, et répandues de minerai, y compris l’eau de mer, les eaux souterraines et l’eau de reflux laissée par la fracturation hydraulique et le forage pétrolier offshore.
 
« À l’heure actuelle, il y a un écart entre la demande de lithium et la production », a déclaré Chong Liu, professeur adjoint d’ingénierie moléculaire du groupe Neubauer et auteur principal du nouveau travail, publié dans Nature Communications. « Notre méthode permet d’extraire efficacement le minéral à partir de liquides très dilués, ce qui peut élargir considérablement les sources potentielles de lithium. »

Dans une nouvelle étude, le professeur adjoint d’ingénierie moléculaire de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago, Chong Liu (à droite), le doctorant et premier auteur Gangbin Yan (à gauche), et les co-auteurs ont optimisé une nouvelle méthode d’extraction du lithium à partir de sources plus diluées et plus répandues. (Photo de John Zich), Université de Chicago
 
Dans la nouvelle recherche, Liu et ses collègues ont clairement démontré comment certaines particules de phosphate de fer peuvent extraire le lithium plus efficacement des liquides dilués. Leurs nouvelles découvertes pourraient accélérer une ère d’extraction plus rapide et plus verte du lithium.
 
Le lithium à un coût moindre
Aujourd’hui, la majeure partie du lithium utilisé dans les batteries au lithium provient de deux procédés d’extraction de base. Les minerais de roche de lithium peuvent être extraits, brisés avec de la machinerie lourde, puis traités à l’acide pour isoler le lithium. Les piscines de saumure de lithium, quant à elles, utilisent des quantités massives d’eau pompées à la surface de la terre puis évaporées, sur une période de plus d’un an, pour produire du lithium séché.
 
« Ces méthodes ne sont pas particulièrement respectueuses de l’environnement au départ, et si vous commencez à essayer de travailler avec des sources de lithium moins concentrées, elles deviendront encore moins efficaces », a déclaré Liu. « Si vous avez une saumure 10 fois plus diluée, vous avez besoin de 10 fois plus d’eau saumâtre pour obtenir la même quantité de lithium. »
 
Ces dernières années, l’équipe de Liu a mis au point une méthode complètement différente pour extraire le lithium des liquides dilués. Leur approche isole le lithium en fonction de ses propriétés électrochimiques, en utilisant des réseaux cristallins d’olivine fer phosphate. En raison de sa taille, de sa charge et de sa réactivité, le lithium est aspiré dans les espaces des colonnes d’olivine fer phosphate, comme de l’eau trempée dans les trous d’une éponge. Mais, si la colonne est parfaitement conçue, les ions sodium, également présents dans les liquides saumâtres, sont laissés de côté ou pénètrent dans le phosphate de fer à un niveau beaucoup plus faible.
 
Maintenant, Liu et ses collègues, y compris le premier auteur du nouvel article Gangbin Yan, un étudiant diplômé PME, ont testé comment la variation des particules de phosphate d’olivine et de fer a eu un impact sur leur capacité à isoler sélectivement le lithium par rapport au sodium.
 
« Lorsque vous produisez du phosphate de fer, vous pouvez obtenir des particules de tailles et de formes radicalement différentes », explique Yan. « Afin de déterminer la meilleure méthode de synthèse, nous devons savoir lesquelles de ces particules sont les plus efficaces pour sélectionner le lithium plutôt que le sodium. »
 
Ni trop grand, ni trop petit
L’équipe de recherche a synthétisé des particules d’olivine fer phosphate à l’aide de différentes méthodes, ce qui a donné une gamme de tailles de particules allant de 20 à 6 000 nanomètres. Ensuite, ils ont divisé ces particules en groupes en fonction de leur taille et les ont utilisées pour construire des électrodes capables d’extraire le lithium d’une solution faible.
 
Lorsque les particules de phosphate de fer étaient trop grosses ou trop petites, ils ont découvert qu’elles avaient tendance à laisser entrer plus de sodium dans leurs structures. Cela a conduit à des extractions moins pures de lithium.
 
« Il s’est avéré qu’il y avait ce point idéal où la cinétique et la thermodynamique favorisent le lithium par rapport au sodium », a déclaré Liu.
 
Les résultats sont essentiels pour faire évoluer l’extraction électrochimique du lithium vers une utilisation commerciale. Ils suggèrent que les chercheurs devraient se concentrer non seulement sur la production de phosphate de fer olivine, mais aussi sur la production de phosphate de fer olivine à la taille de particule idéale.
 
« Nous devons garder à l’esprit cette taille de particule souhaitée lorsque nous choisissons des méthodes de synthèse à mettre à l’échelle », a déclaré Liu. « Mais si nous pouvons le faire, nous pensons que nous pouvons développer une méthode qui réduit l’impact environnemental de la production de lithium et sécurise l’approvisionnement en lithium dans ce pays. »
 
Les autres auteurs de l’article sont Emory Apodaca, Suin Choi, Peter J. Eng, Joanne E. Stubbs, Yu Han, Siqi Zou, Mrinal K. Bera et Ronghui Wu de l’Université de Chicago ; Jialiang Wei et Wei Chen de l’Institut de technologie de l’Illinois ; et Evguenia Karapetrova et Hua Zhou du Laboratoire national d’Argonne.
 
Département américain de l’énergie
 
Clean Technica

Contribution: André H. Martel