A medida que las industrias de todo el país comienzan la transición a la energía renovable, se prevé que la demanda de baterías y, por lo tanto, de litio, aumente drásticamente. Pero, dado que gran parte del suministro mundial de litio se encuentra fuera de los Estados Unidos, los investigadores están buscando nuevas técnicas para extraerlo de fuentes locales, aunque algo poco convencionales, como las aguas residuales del petróleo y las salmueras geotérmicas.

Una de las técnicas de extracción más prometedoras es la intercalación electroquímica, un proceso en el que los electrodos extraen litio del agua que de otro modo no se podría utilizar. Hasta hace poco, la tecnología no había alcanzado el nivel deseado de selectividad de Li para recursos hídricos extremadamente diluidos.

Ahora, los investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han demostrado que los electrodos de "siembra" con iones de litio pueden ayudar a aumentar la selectividad de litio del huésped y repeler elementos no deseados. Sus hallazgos fueron publicados en Nature Communications .

Una distinción material

En química, la intercalación es el proceso por el cual los iones "huéspedes" son atraídos y almacenados dentro de un material "huésped", este último actuando como una especie de colmena molecular. El proceso también es reversible, lo que significa que esos mismos iones se pueden extraer y repetir el proceso una y otra vez. Es el mecanismo clave detrás de las baterías recargables.

Cuando se utiliza para la extracción de litio, la intercalación electroquímica se basa en un material huésped, en este caso, fosfato de hierro de olivino (un tipo de cristal), que es especialmente adecuado para atraer y almacenar iones de litio. Si bien se ha estudiado ampliamente y es uno de los materiales más adecuados para el trabajo, el fosfato de hierro de olivino está lejos de ser perfecto. Los iones que compiten a menudo se introducen en el material huésped junto con el litio, elementos como el sodio, que reducen la eficacia del sistema.

Liu y su equipo querían comprender qué impulsaba esas cointercalaciones y qué sucedía una vez que los dos iones se almacenaban en el cristal.

Trabajando con investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Liu y su equipo utilizaron microscopía electrónica de transmisión para observar el interior de su material huésped. Descubrieron que el litio y el sodio tendían a separarse cuando se les daba la oportunidad. Esto sugirió que los iones de litio y sodio se repelían entre sí dentro del material cristalino, de la misma manera que el aceite y el agua se separan cuando se mezclan, un proceso llamado separación de fases.

Para confirmar ese comportamiento, el equipo desarrolló modelos computacionales en colaboración con investigadores del Instituto de Tecnología de Illinois.

"Fue notable ver la fase de estos iones separados en dos dominios diferentes donde un dominio era solo litio y el otro era solo sodio", dijo Liu. "Nos hizo preguntarnos cómo podríamos usarlo para aumentar la selectividad del litio".

Sembrando las semillas de la indagación

Actuando sobre sus hallazgos, Liu y su equipo idearon un sistema para sembrar previamente su huésped olivino con litio. Ellos teorizaron que esto aumentaría la barrera de energía para los iones de sodio, haciendo más difícil que los elementos no deseados ingresen al huésped.

Descubrieron que sembrar entre el 20 y el 40 por ciento de los sitios de almacenamiento de los materiales anfitriones en general puede aumentar la selectividad a 1,6 veces y 3,8 veces, respectivamente. Las fases de solución sólida sembradas con alto contenido de Li mostraron una fuerte correlación con la mejora de la selectividad.

El equipo también observó que varios factores, incluida la morfología y los defectos del huésped, contribuyeron a la selectividad del litio, lo que ofreció varias vías para futuras investigaciones. Los estudios futuros investigarán las condiciones ideales de siembra y la morfología del huésped para maximizar la selectividad del litio.

"Hemos demostrado una forma efectiva de manipular la vía cinética en un material huésped", dijo Liu. "Si puede controlar la ruta de litio-sodio, tiene una palanca poderosa para influir en la selectividad del litio. Esa comprensión abre una puerta para más estudios y, en última instancia, un sistema sostenible para extraer litio". + Explora más

La tecnología emergente podría ayudar a extraer litio de nuevas fuentes