Бум продаж электромобилей стимулировал рост спроса на литий. Но легкого металла, который необходим для изготовления аккумуляторных батарей, не так много. Теперь исследователи сообщают о важном шаге в направлении использования практически неограниченного запаса лития: вытягивании его прямо из морской воды.

«Это значительный прогресс в этой области», — говорит Чанг Вук Чой, инженер-химик из Сеульского национального университета, который не участвовал в работе. Он добавляет, что такой подход может также оказаться полезным для утилизации лития из использованных батарей.

Литий ценится за аккумуляторы, потому что он накапливает больше энергии по весу, чем другие материалы батареи. Производители используют более 160 000 тонн материала каждый год, и ожидается, что это число вырастет почти в 10 раз в течение следующего десятилетия. Но поставки лития ограничены и сосредоточены в нескольких странах, где металл добывают или перерабатывают из соленой воды.

Дефицит лития вызывает обеспокоенность по поводу того, что будущий дефицит может привести к резкому росту цен на аккумуляторы и остановить рост электромобилей и других литий-зависимых технологий, таких как Tesla Powerwall, стационарные аккумуляторы, часто используемые для хранения солнечной энергии на крыше.

Морская вода может прийти на помощь. Мировой океан содержит около 180 миллиардов тонн лития. Но он разбавлен, присутствует примерно на 0,2 части на миллион. Исследователи разработали многочисленные фильтры и мембраны, чтобы попытаться избирательно извлекать литий из морской воды. Но эти усилия основаны на испарении значительной части воды для концентрирования лития, что требует значительного использования земли и времени. На сегодняшний день такие усилия не оказались экономичными.

Чой и другие исследователи также пытались использовать литий-ионные аккумуляторные электроды для извлечения лития непосредственно из морской воды и рассолов без необходимости предварительного испарения воды. Эти электроды состоят из многослойных слоистых материалов, предназначенных для захвата и удержания ионов лития при зарядке аккумулятора. В морской воде отрицательное электрическое напряжение, приложенное к литий-захватывающему электроду, притягивает ионы лития в электрод. Но он также содержит натрий, химически похожий элемент, который примерно в 100 000 раз больше в морской воде, чем лития. Если два элемента проталкиваются в электрод с одинаковой скоростью, натрий почти полностью вытесняет литий.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи во главе с Yi Cui, специалистом по материалам из Стэнфордского университета, искали способы сделать электродные материалы более селективными. Сначала они покрыли электрод тонким слоем диоксида титана в качестве барьера. Поскольку ионы лития меньше, чем натрий, им легче извиваться через и в электродный сэндвич.

Исследователи также изменили способ контроля электрического напряжения. Вместо того, чтобы прикладывать постоянное отрицательное напряжение к электроду, как это делали другие, они зацикливали его. Сначала они подали отрицательное напряжение, а затем ненадолго отключили его. Затем они подали положительное напряжение, снова отключили его и повторили цикл.

Cui объясняет, что изменение напряжения заставляет ионы лития и натрия перемещаться в электрод, останавливаться, а затем начинает двигаться обратно, когда ток меняется на обратный. Однако, поскольку материал электрода имеет немного более высокое сродство к литию, чем к натрию, ионы лития первыми попадают в электроды и последними уходят. Таким образом, повторение этого цикла концентрирует литий в электроде. После 10 таких циклов, которые заняли всего несколько минут, Цуй и его коллеги получили соотношение лития к натрию один к одному, сообщают в этом месяце в Joule.

«Это удваивает селективность, по крайней мере, по сравнению с предыдущими попытками использовать аккумуляторные электроды для сбора лития», — говорит Чонг Лю, специалист по материалам в Чикагском университете, который ранее работал докторантом в лаборатории Цуй.

По словам Лю, аванс по-прежнему недостаточно дешев, чтобы конкурировать с добычей лития на суше. Тем не менее, она говорит, что ее группа пытается повысить селективность, используя другие типы литий-ионных аккумуляторных электродов.

Чой добавляет, что этот подход может также оказаться полезным для извлечения лития из выброшенных аккумуляторов, что дает металлу вторую жизнь, а также может привести к перенасыщению электромобилей.