化学家发明了一种更有效的方法从矿场油田废电池中提取锂

美国能源部橡树岭国家实验室的化学家发明了一种更有效的方法，可以从矿场、油田和废旧电池中浸出的废液中提取锂。他们证明，普通矿物可以吸附的锂比使用先前开发的吸附材料收集的锂至少多五倍。

“这是一种低成本、高锂吸收的工艺，”拥有58项已授权专利的橡树岭国家实验室(ORNL)企业研究员和美国国家发明家学院研究员帕兰斯·帕兰塔曼(ParansParanthaman)说道。他与橡树岭国家实验室材料化学家JayanthiKumar一起领导了概念验证实验，JayanthiKumar拥有层状材料设计、合成和表征方面的专业知识。

Paranthaman说：“与其他直接锂提取方法相比，其主要优势在于它可以在5至11的更宽pH范围内工作。”无酸提取过程在140摄氏度下进行，而传统方法则在250摄氏度(含酸)或800至1000摄氏度(无酸)下烘烤开采矿物。

该团队已为该发明申请了专利。

锂是一种轻质金属，通常用于高能量密度和可充电电池。到2050年实现净零排放所需的电动汽车依赖于锂离子电池。在工业上，锂是从盐水、岩石和粘土中提取的。橡树岭国家实验室的创新可能有助于通过使国内资源商业化来满足不断增长的锂需求。

该研究揭示了一条摆脱现状的途径：一种线性经济，其中来自采矿、精炼或回收的材料被制成产品，在其使用寿命结束时，被作为废物丢弃。这项工作朝着循环经济的方向发展，在这种经济中，材料尽可能长时间地保持流通，以减少原始资源的消耗和废物的产生。

橡树岭国家实验室的发明依赖于氢氧化铝，这是一种地壳中丰富的矿物质。科学家们使用氢氧化铝作为吸附剂，这种材料可以吸收另一种材料(在本例中为硫酸锂)并保留它。

在称为锂化的过程中，氢氧化铝粉末从溶剂中提取锂离子，形成稳定的层状双氢氧化物(LDH)相。然后在脱锂过程中，用热水处理导致LDH释放锂离子并再生吸附剂。在再锂化过程中，吸附剂被重复使用以提取更多的锂。“这是循环经济的基础，”帕兰塔曼说。

该研究发表在ACSAppliedMaterials&Interfaces杂志上。相关的第二篇论文同时发表在《物理化学杂志C》上，探讨了各种条件下脱锂的稳定性。

氢氧化铝以四种高度有序的结晶多晶型物和一种无定形或无序形式存在。事实证明，形状对吸附剂的功能起着重要作用。

Kumar前往亚利桑那州立大学与AlexandraNavrotsky合作测量化学反应的热力学。橡树岭国家实验室(ORNL)企业研究员布鲁斯·莫耶(BruceMoyer)是分离科学与技术领域的著名专家，他对动力学实验提供了深入的见解。

图形概要。图片来源：物理化学杂志C(2023)。DOI：10.1021/acs.jpcc.3c05676

“根据量热测量，我们了解到无定形氢氧化铝是氢氧化铝中最不稳定的形式，因此具有很高的反应性，”库马尔说。“这是该方法提高锂提取能力的关键。”

由于无定形氢氧化铝是矿物形式中最不稳定的，因此它会自发地与从废粘土浸出的盐水中的锂发生反应。“只有当我们进行测量时，我们才意识到无定形形式的稳定性非常非常不稳定。这就是为什么它更具反应性，”库马尔说。“为了获得稳定性，与其他形式相比，它的反应非常快。”

Kumar正在优化吸附剂从含有锂、钠和钾的液体中选择性吸附锂并继续形成LDH硫酸盐的工艺。

在纳米相材料科学中心(美国能源部科学办公室位于橡树岭国家实验室的用户设施)，研究人员使用扫描电子显微镜来表征氢氧化铝在锂化过程中的形态。它是一个带电中性层，含有原子空位或小孔。锂在这些部位被吸收。这些空位的大小是氢氧化铝对锂(带正电的离子或阳离子)选择性的关键。

库马尔说：“这个空位非常小，只能容纳锂大小的阳离子。”“钠和钾是半径较大的阳离子。较大的阳离子不适合空位。然而，它与锂完美匹配。”

无定形氢氧化铝对锂的选择性导致近乎完美的效率。该工艺只需一步，每克可回收吸附剂就捕获了37毫克锂，大约是以前用于锂提取的称为三水铝石的晶体氢氧化铝的五倍。

锂化的第一步是从矿场或油田的渗滤液或盐水中提取86%的锂。第二次使渗滤液流过无定形氢氧化铝吸附剂，以吸收剩余的锂。“只需两步，你就可以完全回收锂，”帕兰塔曼说。

普渡大学的文卡特·罗伊(VenkatRoy)和赵福分析了直接提取锂的循环经济的生命周期效益。他们将ORNL工艺与使用碳酸钠的标准方法进行了比较。他们发现橡树岭国家实验室的技术使用了三分之一的材料和三分之一的能源，因此产生的温室气体排放量更少。

接下来，研究人员希望扩展该过程以提取更多锂并以特定形式再生吸附剂。现在，当无定形氢氧化铝吸附剂与锂反应并随后用热水处理以除去锂并使吸附剂再生时，结果是氢氧化铝多晶型物从无定形到称为三羟铝石的结晶形式的结构变化。

“三羟铝石形式的反应性较低，”库马尔说。“它需要更多的时间(18小时)或浓度更高的锂才能发生反应，而无定形形式则相反，无定形形式会在3小时内发生反应，从渗滤液中提取出所有锂。我们需要找到一条路线来回收锂。转化为非晶相，我们知道非晶相具有高反应性。”

成功优化提取速度和效率的新工艺可能会改变国内锂供应的游戏规则。世界上一半以上的陆地锂储量位于溶解矿物质浓度较高的地方，例如加利福尼亚州的索尔顿海或德克萨斯州和宾夕法尼亚州的油田。

“在国内，我们并没有真正的锂制造，”帕兰塔曼说。“用于制造的锂不到2%来自北美。如果我们能够使用新的ORNL工艺，我们就可以在美国各地拥有各种锂源。这种吸附剂非常好，您可以将其用于任何盐水甚至来自回收锂离子电池。”