När industrier över hela landet påbörjar övergången till förnybar energi, förväntas efterfrågan på batterier, och därför litium, öka dramatiskt. Men med mycket av den globala litiumförsörjningen utanför USA, letar forskare efter nya tekniker för att utvinna det från lokala, om än något okonventionella, källor som petroleumavloppsvatten och geotermisk saltlösning.

En av de mest lovande av dessa extraktionstekniker är elektrokemisk interkalering, en process där elektroder drar litium från annars oanvändbart vatten. Tills nyligen hade tekniken inte nått den önskade nivån av Li-selektivitet för extremt utspädda vattenresurser.

Nu har forskare vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) visat att "sådd" elektroder med litiumjoner kan hjälpa till att öka värdens litiumselektivitet och stöta bort oönskade element. Deras resultat publicerades i Nature Communications .

En materiell skillnad

Inom kemi är interkalering den process genom vilken "gäst" joner dras in i och lagras i ett "värd" material, det senare fungerar som en sorts molekylär bikupa. Processen är också reversibel, vilket innebär att samma joner kan extraheras och processen upprepas om och om igen. Det är nyckelmekanismen bakom uppladdningsbara batterier.

När den används för litiumextraktion bygger elektrokemisk interkalering på ett värdmaterial - i det här fallet olivinjärnfosfat (en typ av kristall) - som är särskilt väl lämpad för att attrahera och lagra litiumjoner. Även om det är mycket studerat och ett av de bäst lämpade materialen för jobbet, är olivinjärnfosfat långt ifrån perfekt. Konkurrerande joner dras ofta in i värdmaterialet tillsammans med litium, element som natrium, som minskar systemets effektivitet.

Liu och hennes team ville förstå vad som drev dessa saminterkalationer och vad som hände när de två jonerna lagrades i kristallen.

I samarbete med forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign använde Liu och hennes team transmissionselektronmikroskopi för att titta in i sitt värdmaterial. De fann att litium och natrium tenderade att separera när de fick chansen. Detta antydde att litium- och natriumjoner stötte bort varandra inuti kristallmaterialet, ungefär på samma sätt som olja och vatten separeras när de blandas, en process som kallas fasseparation.

För att bekräfta detta beteende utvecklade teamet beräkningsmodeller i samarbete med forskare vid Illinois Institute of Technology.

"Det var anmärkningsvärt att se dessa joner fassepareras i två olika domäner där en domän bara var litium och en bara var natrium," sa Liu. "Det fick oss att undra hur vi kunde använda det för att öka litiumselektiviteten."

Så frön av undersökning

Liu och hennes team tog fram ett system för att försådda sin olivinvärd med litium, utifrån sina upptäckter. De ansåg att detta skulle öka energibarriären för natriumjoner, vilket gör det svårare för oönskade element att komma in i värden.

De fann att sådd 20 till 40 procent av det totala värdmaterialets lagringsplatser kan öka selektiviteten till 1,6-faldigt respektive 3,8-faldigt. De ympade faserna med hög Li fast lösning visade en stark korrelation till selektivitetsförbättringen.

Teamet observerade också att flera faktorer, inklusive värdmorfologin och defekter, bidrog till litiumselektiviteten, vilket erbjuder flera vägar för vidare forskning. Framtida studier kommer att undersöka de ideala såningsförhållandena och värdmorfologin för att maximera litiumselektiviteten.

"Vi har visat ett effektivt sätt att manipulera den kinetiska vägen i ett värdmaterial," sa Liu. "Om du kan kontrollera litium-natrium-vägen, har du en kraftfull spak för att påverka litiumselektiviteten. Den insikten öppnar en dörr för mer studier och, i slutändan, ett hållbart system för att utvinna litium." + Utforska vidare

Ny teknik kan hjälpa till att extrahera litium från nya källor