Il litio componente vitale delle batterie, cuore dei veicoli elettrici e dello stoccaggio dell’energia in rete, è fondamentale per un futuro di energia pulita, ma la produzione del metallo bianco-argenteo comporta significativi costi ambientali, tra questi c’è la grande quantità di terra e il tempo necessari per estrarre il litio dall’acqua salmastra, con grandi operazioni che si estendono nell’ordine di decine di miglia quadrate e spesso richiedono più di un anno per iniziare la produzione.
I ricercatori della Princeton University hanno sviluppato una tecnica di estrazione che riduce drasticamente la quantità di terra e il tempo necessari per la produzione di litio. I ricercatori affermano che il loro sistema può migliorare la produzione negli impianti di litio esistenti e sbloccare fonti precedentemente considerate troppo piccole o diluite per essere utili.
Il nucleo della tecnica, descritta nella rivista Nature Water, è un insieme di fibre porose attorcigliate in corde, che i ricercatori hanno progettato per avere un nucleo amante dell’acqua e una superficie idrorepellente: quando le estremità vengono immerse in una soluzione di acqua salata, l’acqua risale le corde attraverso un’azione capillare, lo stesso processo utilizzato dagli alberi per attirare l’acqua dalle radici alle foglie.
L’acqua evapora rapidamente dalla superficie di ciascuna corda, lasciando dietro di sé ioni salini come sodio e litio, man mano che l’acqua continua ad evaporare, i sali diventano sempre più concentrati e alla fine sulle corde formano cristalli di cloruro di sodio e cloruro di litio, consentendo una facile raccolta.
La tecnica oltre a concentrare i sali, fa sì che il litio e il sodio cristallizzino in punti distinti lungo la corda a causa delle loro diverse proprietà fisiche. Il sodio, a bassa solubilità, cristallizza nella parte inferiore del filo, mentre i sali di litio altamente solubili cristallizzano nella parte superiore. La separazione naturale ha permesso al team di ricercatori di raccogliere individualmente litio e sodio, un’impresa che in genere richiede l’uso di sostanze chimiche aggiuntive.
Zhiyong “Jason” Ren, professore di ingegneria civile e ambientale presso l’Andlinger Center for Energy and the Environment della Princeton University, leader del gruppo di ricerca, ha affermato:
«Non abbiamo bisogno di applicare sostanze chimiche aggiuntive, come nel caso di molte altre tecnologie di estrazione, il processo consente di risparmiare molta acqua rispetto ai tradizionali metodi di evaporazione. L’offerta limitata di litio rappresenta un ostacolo alla transizione verso una società a basse emissioni di carbonio, il nostro metodo è economico, facile da usare e richiede pochissima energia. È una soluzione rispettosa dell’ambiente per una cruciale sfida energetica».
Stagno di evaporazione su una corda
L’estrazione convenzionale della salamoia prevede la costruzione di una serie di enormi bacini di evaporazione per concentrare il litio proveniente da saline, laghi salati o falde acquifere sotterranee. Il processo può richiedere da diversi mesi ad alcuni anni. Le operazioni sono commercialmente fattibili solo in una manciata di località in tutto il mondo che hanno concentrazioni iniziali di litio sufficientemente elevate, un’abbondanza di terra disponibile e un clima arido per massimizzare l’evaporazione, ad esempio, negli Stati Uniti esiste una sola zona attiva di estrazione del litio a base di salamoia, situata nel Nevada e che copre oltre sette miglia quadrate.
La tecnica delle corde è molto più compatta e può iniziare a produrre litio rapidamente, sebbene i ricercatori avvertano che sarà necessario un ulteriore lavoro per scalare la loro tecnologia dal laboratorio alla produzione industriale, stimano che possa ridurre la quantità di terreno necessaria di oltre il 90% rispetto alle operazioni attuali e che possa accelerare il processo di evaporazione di oltre 20 volte rispetto ai bacini di evaporazione tradizionali, con la possibilità di ottenere i primi raccolti di litio in meno di un mese.
Operazioni rapide, compatte e a basso costo potrebbero ampliare l’accesso per includere nuove fonti di litio, come pozzi di petrolio e gas in disuso e salamoie geotermiche, che sono attualmente troppo piccole o troppo diluite per l’estrazione del litio.
Il team di ricercatori hanno affermato che il tasso di evaporazione accelerato potrebbe consentire il funzionamento anche in climi più umidi. Stanno anche studiando l’estrazione del litio dall’acqua di mare.
Sunxiang (Sean) Zheng, coautore dello studio ha affermato:
«Il nostro processo è come mettere uno stagno di evaporazione su una corda, permettendoci di ottenere raccolti di litio con un ingombro spaziale significativamente ridotto e con un controllo più preciso del processo. Se ridimensionati, potremmo aprire nuove prospettive per l’estrazione del litio rispettosa dell’ambiente».
Il team di ricercatori poiché i materiali per produrre le corde sono economici e la tecnologia non richiede trattamenti chimici per funzionare, hanno affermato che con ulteriori miglioramenti, il loro metodo sarebbe un forte candidato per un’adozione diffusa, hanno dimostrato nel documento di ricerca la potenziale scalabilità del loro lavoro costruendo una serie di 100 corde per l’estrazione del litio.
Il team di ricerca di Zhiyong “Jason” Ren sta già sviluppando una seconda generazione della tecnica che consentirà una maggiore efficienza, una produttività più elevata e un maggior controllo sul processo di cristallizzazione. Hanno attribuito alla Princeton Catalysis Initiative il merito di aver fornito un supporto iniziale fondamentale per consentire collaborazioni di ricerca creative. Inoltre, il suo team di ricerca ha recentemente ricevuto un NSF Partnerships for Innovation Award e un premio dall’Intellectual Property (IP) Accelerator Fund di Princeton per sostenere il processo di ricerca e sviluppo, comprese le modalità per modificare il metodo per estrarre altri minerali critici oltre al litio.
Zhiyong “Jason” Ren insieme a Kelsey Hatzell (assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale), per comprendere meglio il processo di cristallizzazione, hanno ricevuto anche finanziamenti iniziali dal Princeton Center for Complex Materials.
Sunxiang (Sean) Zheng sta guidando il lancio di una startup, PureLi Inc., per iniziare il processo di perfezionamento della tecnologia ed eventualmente portarla sul mercato più ampio. È stato selezionato come uno dei quattro ricercatori nel gruppo inaugurale di Start Entrepreneurs della Princeton University, una borsa di studio accademica e un acceleratore di startup progettato per promuovere l’imprenditorialità inclusiva.
Sunxiang (Sean) Zheng ha affermato:
«Come ricercatore, sai in prima persona che molte nuove tecnologie sono troppo costose o difficili da scalare, ma siamo molto entusiasti di questo e, con alcuni ulteriori miglioramenti in termini di efficienza, riteniamo che abbia un potenziale incredibile per avere un impatto reale sul mondo».
Una serie di collaboratori
Zhiyong “Jason” Ren ha affermato che la scoperta rivoluzionaria è stata resa possibile grazie a un ampio sforzo di collaborazione tra gruppi di ricerca della Princeton University e University of Maryland.
La collaborazione con Liangbing Hu presso il Dipartimento di ingegneria meccanica della University of Maryland per esempio, ha ispirato i ricercatori a utilizzare e trattare il materiale in fibra per massimizzare l’efficienza della tecnologia.
Il team di ricerca di Zhiyong “Jason” Ren si è rivolto anche a Howard Stone, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e a Fernando Temprano-Coleto, ricercatore post-dottorato dell’Andlinger Center che lavora con Howard Stone, per comprendere e modellare i fondamentali della meccanica dei fluidi e processi di trasporto che sono alla base delle notevoli capacità di raccolta del litio dalle corde.
Fernando Temprano-Coleto ha affermato:
«Una volta che si arriva a una descrizione matematica del processo, non solo si può capire ciò che si è già osservato, ma si acquisisce anche potere predittivo, e con un modello in atto, puoi iniziare a giocare con le variabili per ottimizzare il processo e capire come funzionerà in condizioni diverse».
Il team di ricerca di Zhiyong “Jason” Ren ha attinto all’esperienza nella caratterizzazione dei materiali di Nan Yao, professoressa presso il Princeton Materials Institute, e alle strutture uniche disponibili presso il Centro di imaging e analisi della Princeton University per caratterizzare la struttura dei materiali e la disposizione spaziale.
Nan Yao ha affermato:
«È difficile rilevare un elemento come il litio utilizzando le tradizionali tecniche di caratterizzazione perché è così leggero, con solo tre elettroni coinvolti che emettono un segnale a raggi X molto debole. Fortunatamente, presso il Centro di imaging e analisi, disponiamo di una suite di strumenti all’avanguardia e di fascia alta che ci hanno permesso di raccogliere le informazioni di cui avevamo bisogno».
Nan Yao e Guangming Cheng, studioso di ricerca associato nel gruppo di Nan Yao, hanno lavorato con l’autore principale Xi Chen (ex studioso di ricerca associato in ingegneria civile e ambientale nel laboratorio di Zhiyong “Jason” Ren, ora è professore associato presso l’Università di Tsinghua), per utilizzare una tecnica avanzata nota come spettroscopia di perdita di energia degli elettroni insieme alla microscopia elettronica a trasmissione a scansione per caratterizzare la disposizione spaziale di litio e sodio lungo le corde. Il loro lavoro ha rivelato che il litio e il sodio si separavano l’uno dall’altro verticalmente e radialmente lungo la corda, con il sodio che cristallizzava principalmente sulla superficie delle corde intrecciate e il litio che si concentrava al centro. La scoperta potrebbe ispirare gli sforzi in corso per aumentare l’efficienza del metodo esistente.
Zhiyong “Jason” Ren in conclusione ha affermato:
«Ciascuno dei nostri collaboratori ha partecipato con un contributo di notevole importanza al nostro lavoro, dalla scoperta dei processi fondamentali alla base dell’elevata efficienza della nostra tecnologia, alla caratterizzazione dei materiali finali. Non avremmo potuto portare a termine il nostro lavoro senza l’esperienza di tutti i partecipanti al progetto».
