این کار را انجام می دهد طرح ملی باتری لیتیومی 2021-2030 به وضوح نشان می دهد که تولید لیتیوم یک اولویت ملی است. این گزارش خاطرنشان می‌کند که انتظار می‌رود بازار جهانی باتری‌های لیتیومی در دهه آینده بین 5 تا 10 برابر رشد کند و هشدار می‌دهد: «پایگاه صنعتی ایالات متحده باید برای پاسخگویی به این افزایش عظیم در تقاضای بازار باشد، که در غیر این صورت احتمالاً از رقبای کاملاً ایمن و حمایت شده در آسیا و اروپا بهره برد.»

استفاده از این افزایش تقاضا برای لیتیوم به ویژه برای ایالات متحده چالش برانگیز خواهد بود، که در حال حاضر مقدار بسیار کمی از این ماده معدنی بسیار مهم را تولید می کند.

Parans Paranthaman، یکی از همکاران شرکت ORNL، که سال ها صرف تحقیق در مورد منابع جایگزین لیتیوم کرده است، می گوید: «کمتر از 2 درصد لیتیوم ما از ایالات متحده و کانادا می آید. چهل درصد از استرالیا آمده اند. ما حدود 35 درصد از آمریکای جنوبی – آرژانتین، بولیوی، شیلی – و بقیه از چین می آیند.

از آنجایی که ما از باتری‌های لیتیوم بیشتری در خودروهای الکتریکی و بسیاری از دستگاه‌های دیگر برای کاهش کمبود زنجیره تامین استفاده می‌کنیم، منابع جایگزین لیتیوم را شناسایی کرده‌ایم. امیدوارکننده ترین آنها بازیافت لیتیوم از آب نمک های تولید شده از نیروگاه های زمین گرمایی یا باطله های معدن است.

آب نمک غنی از مواد معدنی

نیروگاه های زمین گرمایی با حفاری مخازن عمیق زیرزمینی آب فوق گرم تحت فشار و پمپاژ آن به سطح انرژی تولید می کنند. تحت فشار کاهش یافته، آب به بخار تبدیل می شود و توربین هایی را تبدیل می کند که ژنراتورها را برای تولید برق تولید می کنند. آب باقیمانده غنی از مواد معدنی، معروف به آب نمک، حاوی غلظت بالایی از چندین ماده معدنی و غلظت بسیار کمتر لیتیوم است.

پارانتامان گفت: “ما شاهد 300 تا 400 قسمت در میلیون لیتیوم کلرید هستیم.” این را با 50000 قسمت در میلیون کلرید سدیم مقایسه کنید. در آب نمک کلرید سدیم، کلرید پتاسیم، کلرید کلسیم و منگنز در غلظت های بسیار بالا داریم در حالی که غلظت لیتیوم کم است. بنابراین چالش استخراج لیتیوم به طور موثر و با درجه خلوص بالا است.

اگرچه غلظت لیتیوم در نمک های زمین گرمایی در مقایسه با سایر منابع نسبتاً کم است، آب نمک ها نیازی به استخراج معدن ندارند و نیازی به حفر چاه نیست زیرا در حال حاضر برای تولید انرژی مورد بهره برداری قرار می گیرند.

به طور معمول، نیروگاه های زمین گرمایی آب نمک خنک شده را به زیر زمین پمپ می کنند. با این حال، پارانتامان با دانشمندانی از ORNL، مؤسسه مواد حیاتی DOE و شریک صنعتی All-American Lithium برای توسعه روش‌هایی برای بازیابی لیتیوم از آب نمک کار می‌کند. کلید این بازیابی، توسعه یک ماده جاذب است که به طور انتخابی کلرید لیتیوم را از آب نمک جذب یا شیمیایی کند. تا کنون، امیدوارکننده ترین ماده، لیتیوم آلومینیوم دو هیدروکسید کلرید خالص یا دوپ شده با آهن یا LDH است.

پارانتامان گفت: ما این جاذب را برای جذب منحصراً کلرید لیتیوم طراحی کردیم. LDH این مزیت را دارد که هزینه نسبتاً پایین و انتخابی بالایی برای لیتیوم دارد – به این معنی که نه تنها درصد زیادی از لیتیوم موجود را جذب می کند، بلکه سایر مواد معدنی را در این فرآیند بازیابی نمی کند.

در آزمایش‌ها، سالین شبیه‌سازی‌شده از طریق یک ستون حاوی لایه‌هایی از LDH که توسط مولکول‌های آب و یون‌های هیدروکسید جدا شده بودند، پمپ شد، که ترجیحاً اجازه می‌دهد یون‌های کلرید لیتیوم از آن عبور کرده و یون‌های سدیم و پتاسیم را مسدود کنند. این فرآیند بیش از 90 درصد لیتیوم را از آب نمک شبیه سازی شده حذف می کند.

پارانتامن و همکارانش همچنین در حال بررسی استفاده از غشایی هستند که محلول لیتیوم کلرید را قبل از قرار گرفتن در معرض جاذب غلیظ می کند. انتظار می رود که این کارایی فرآیند را افزایش دهد. با استفاده از غشاء، می‌توانیم از محلول کلرید لیتیوم ۳ درصدی به محلول ۲۲ درصدی برسیم. امیدواریم بتوانیم به 40 درصد برسیم. وقتی کلرید لیتیوم را غلیظ می کنیم، کلرید سدیم و کلرید پتاسیم – که حلالیت کمتری دارند – رسوب می کنند، بنابراین می توان آنها را با فیلتراسیون حذف کرد. این منجر به یک محلول خالص از کلرید لیتیوم می شود که سپس می تواند به لیتیوم هیدروکسید یا کربنات لیتیوم تبدیل شود. اینها مواد اولیه برای تولید باتری های لیتیومی هستند.

یک موقعیت خوب برای پیدا کردن

اگر بتوان این فناوری را افزایش داد و در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار داد، تخمین زده می شود که یک نیروگاه زمین گرمایی 50 مگاواتی می تواند سالانه 15000 تن کربنات لیتیوم را بازیابی کند و بیش از 20 نیروگاه زمین گرمایی در مجاورت دریای سالتون کالیفرنیا وجود دارد. تنها. در حال حاضر، کل تولید جهانی کربنات لیتیوم تنها حدود 160000 تن است. بنابراین اگر از ظرفیت بازیافت لیتیوم این نیروگاه های زمین گرمایی به طور کامل استفاده شود، لیتیوم بیش از اندازه کافی برای رفع نیازهای داخلی تامین می شود.

پارانتامان گفت: «پس می‌توانیم صادرکننده کربنات لیتیوم باشیم. “این موقعیت خوبی خواهد بود.”

باقی مانده های بحرانی

پارانتامن و همکارانش همچنین با مؤسسه مواد حیاتی و همچنین چندین شرکت کوچک و شرکای دانشگاهی همکاری می کنند تا به صورت مفهومی روش های مشابهی را برای بازیابی لیتیوم از زباله های معدنی باقی مانده از عملیات استخراج بور توسعه دهند.

پارانتامان گفت: “به عنوان بخشی از پروژه مواد حیاتی CMI، ما با ریوتینتو بوراتس، در میان دیگران، که تقریباً 150 سال است در کالیفرنیا بور استخراج می کنند، کار کرده ایم.” «ضایعات بور حاوی سولفات لیتیوم است. بنابراین ما در حال حاضر در حال توسعه یک نمایش پیش آزمایشی از بازیابی لیتیوم از این زباله ها هستیم. ما انتظار داریم ظرف یک سال برای یک تظاهرات تمام عیار آماده باشیم.

بازیافت لیتیوم از باطله معدن به طور طبیعی از روش ها و فرآیندهای متفاوتی نسبت به بازیافت لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی استفاده می کند.

از دیدگاه شیمی، بازیابی زمین گرمایی یک جریان کلرید است. باطله معدن یک جریان سولفات است، بنابراین آنها به فرآیندهای مختلفی نیاز دارند. با این حال، ایده یکسان است و محصول به دست آمده از هر دو فرآیند یکسان خواهد بود.

بردن آن به سطح بعدی

در بلندمدت، پارانتامن و همکارانش تلاشی جامع را برای مقابله با چالش‌های باتری‌های لیتیوم یونی در نظر دارند. به عنوان مثال، علاوه بر لیتیوم، نیاز اساسی به نیکل، کبالت و گرافیت در تولید باتری‌های لیتیوم یون وجود دارد.