Удивительно просто и дёшево: литий научились «выращивать» на струнах

Литий — крайне важное сырьё для батарей, от смартфонов до электромобилей и сетевых накопителей энергии. Однако добыча серебристо-белого металла сопряжена со значительными издержками. Так, извлечение щелочного металла из озёр, богатых солями лития, требует огромных ресурсов. Такие предприятия охватывают десятки квадратных километров и часто требуют более года для запуска производства.


Исследователи из Принстонского университета разработали технологию извлечения, которая при производстве лития сокращает и площадь необходимых территорий, и время. Учёные говорят, что их система оптимизирует производство на существующих литиевых заводах и даст возможность задействовать источники сырья, которые ранее считались слишком скудными, чтобы их использовали.

В основе описанной в журнале Nature Water технологии — пористые волокна, скрученные в особые струны с влаголюбивой сердцевиной и водоотталкивающей поверхностью. Когда концы погружают в солёный раствор, вода поднимается по струнам через капилляры за счёт известного всем со школьных лет эффекта. Детям можно показать физическое явление с помощью полного и пустого стаканов и скрученной в жгут бумажной салфетки. Обмакнув один конец жгута в полный стакан, можно переместить часть воды в пустой, потому что вода сама начнёт пробираться через бумагу.



Вода быстро испаряется с поверхности каждой струны, оставляя после себя ионы солей натрия и лития. И по мере испарения соли становятся всё более концентрированными и в конечном итоге образуют кристаллы хлоридов натрия и лития на струнах, что облегчает сбор «урожая».

Более того, метод приводит к кристаллизации лития и натрия в разных местах вдоль струны из-за их различных физических свойств. Натрий с низкой растворимостью кристаллизуется в нижней части тонкого троса, а высокорастворимые соли лития кристаллизуются вверху струн. Естественное разделение позволило команде учёных собирать литий и натрий по отдельности, что обычно, при других технологиях, требует дополнительных химикатов.


— Джейсон Рен, профессор в Принстоне и руководитель исследовательской группы.

Рен особо подчеркнул, что команда учёных предлагает подход, который дешев, прост в эксплуатации и требует очень мало энергии. Фактически, они нашли экологически чистое решение для важнейшей энергетической проблемы.

Обычная добыча рассола включает в себя строительство серии огромных прудов-испарителей для концентрирования лития из солончаков, солёных озёр или подземных водоносных слоёв. Процесс может занять от нескольких месяцев до нескольких лет. Эти операции коммерчески выгодны лишь в нескольких местах по всему миру, где исходные концентрации лития достаточно высоки, где много свободных земель и где засушливый климат, позволяющий максимально увеличить испарение. Например, в Соединённых Штатах существует только одно действующее предприятие по добыче лития из рассола — в штате Невада. И занимает оно более 18 квадратных километров.

Технология изготовления специальных струн намного компактнее и позволяет начать производство лития гораздо быстрее. Да, потребуется дополнительная работа, чтобы масштабировать новую технологию до промышленного уровня. Однако по оценкам изобретателей, это может сократить необходимую площадь земли более чем на 90% и ускорить процесс выпаривания более чем в 20 раз по сравнению с традиционными прудами. В общем, по расчётам учёных, получить первый «урожай» по новой методике можно быстрее, чем за месяц.



Метод со струнами делает рентабельными такие источники лития, как заброшенные нефтяные и газовые скважины и геотермальные рассолы, которые считались или слишком малы, или рассолом был слишком беден для извлечения лития. Исследователи добавили, что скорость испарения со струн также делает разработку эффективной в более влажном климате. Они даже изучают, позволит ли технология извлекать литий из морской воды.

В статье исследователи показали перспективность своего подхода, сделав комплект из 100 струн, извлекающих литий. Коллектив Джейсона Рена уже разрабатывает второе поколение технологии, которая будет эффективнее, производительнее и повысит контроль над процессом кристаллизации.