Litium är ett viktigt element i batterierna som driver elfordon, men den stigande litiumefterfrågan förväntas ta slut på landbaserade reserver till 2080. KAUST-forskare har nu utvecklat ett ekonomiskt lönsamt system som kan utvinna högrent litium ur havsvatten.

Haven innehåller cirka 5, 000 gånger mer litium än landet men vid extremt låga koncentrationer på cirka 0,2 miljondelar (ppm). Större joner, inklusive natrium, magnesium och kalium, är alla närvarande i havsvatten i mycket högre koncentrationer; dock, Tidigare forskningsansträngningar för att reta litium från denna blandning har gett lite.

KAUST-teamet löste detta problem med en elektrokemisk cell som innehöll ett keramiskt membran tillverkat av litiumlantan titanoxid (LLTO). Dess kristallstruktur innehåller hål precis breda nog att låta litiumjoner passera samtidigt som de blockerar större metalljoner. "LLTO-membran har aldrig använts för att extrahera och koncentrera litiumjoner tidigare, " säger postdoc Zhen Li, som utvecklade cellen.

Cellen innehåller tre fack. Havsvatten rinner in i en central matningskammare, där positiva litiumjoner passerar genom LLTO-membranet in i ett sidoutrymme som innehåller en buffertlösning och en kopparkatod belagd med platina och rutenium. Under tiden, negativa joner lämnar matningskammaren genom ett standard anjonbytarmembran, passerar in i ett tredje fack som innehåller en natriumkloridlösning och en platina-ruteniumanod.

Forskarna testade systemet med havsvatten från Röda havet. Vid en spänning på 3,25V, cellen genererar vätgas vid katoden och klorgas vid anoden. Detta driver transporten av litium genom LLTO-membranet, där det ackumuleras i sidokammaren. Detta litiumberikade vatten blir sedan råvaran för ytterligare fyra bearbetningscykler, så småningom nå en koncentration på mer än 9, 000 ppm. Justering av pH-värdet för denna lösning ger fast litiumfosfat som bara innehåller spår av andra metalljoner – tillräckligt rent för att uppfylla batteritillverkarnas krav.

Forskarna uppskattar att cellen bara skulle behöva 5 USD i el för att utvinna 1 kilo litium från havsvatten. Värdet av väte och klor som produceras av cellen skulle mer än kompensera för denna kostnad, och kvarvarande havsvatten kan också användas i avsaltningsanläggningar för att tillhandahålla sötvatten.

"Vi kommer att fortsätta att optimera membranstrukturen och celldesignen för att förbättra processeffektiviteten, " säger gruppledaren Zhiping Lai. Hans team hoppas också kunna samarbeta med glasindustrin för att producera LLTO-membranet i stor skala och till en överkomlig kostnad.