Bu makale, elektrot oksidasyonunu ve elektrolit oksidasyonunu birleştirerek sürdürülebilir lityum geri kazanımı sağlayan yeni bir elektrokimyasal "çift oksidasyon" deniz suyu elektroliz sistemi hakkındadır. Araştırma, Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Orta Güney Üniversitesi, Ningbo Oriental Politeknik Üniversitesi ve Shenzhen Enerji Araştırma Enstitüsü'nden araştırmacılar tarafından ortaklaşa yürütüldü. Ulusal Bilimler Akademisi (PNAS) Bildirileri'nde yayınlanan makale, artan lityum talebini karşılamak ve karbon ayak izini azaltmak için büyük önem taşıyan düşük enerjili, yüksek lityum geri kazanım teknolojisini ortaya koyuyor.
Araştırmanın Arka Planı ve Önemi
Taşınabilir enerji depolama cihazlarında lityuma olan talebin artmasıyla birlikte, termal metalurji ve hidrometalurji gibi geleneksel ekstraksiyon yöntemleri, çevresel ayak izleri ve büyük CO2 emisyonları açısından giderek daha fazla inceleme altına alındı.
Bu yöntemler yalnızca enerji yoğun olmakla kalmıyor, aynı zamanda tehlikeli kimyasallar da kullanıyor; bu da sürdürülebilirlik ve kaynakların tükenmesi konusunda endişeleri artırıyor. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), mevcut madenlerin 2030 yılına kadar lityum endüstrisinin talebinin yalnızca yarısını karşılayabileceğini tahmin ederek, daha temiz ve daha verimli lityum geri kazanım yolları bulmanın aciliyetini vurguluyor.
Araştırma içeriği ve yöntemleri
Araştırmacılar, elektrot oksidasyonu ve elektrolit oksidasyonunu birleştirerek düşük karbon ayak izi ve yüksek lityum geri kazanım oranı elde eden bir elektrokimyasal "çift oksidasyon" deniz suyu elektroliz sistemi önerdiler. Atılan LiFePO4 katot malzemelerinden %98,96'lık bir geri kazanım oranı ve %99,60'lık bir ürün saflığı ile lityumun geri kazanıldığını gösterdiler.
Derinlemesine mekanizma çalışmaları yoluyla, elektrik alanıyla tahrik edilen elektrot oksidasyonunun ve yerinde üretilen oksidatif elektrolitin, yapısal çerçeve elemanı oksidasyonunun ve parçacık korozyonu bölünmesinin sinerjik etkileri yoluyla lityum iyonlarının süzülmesini sinerjistik olarak teşvik ettiği bulunmuştur.
Bu ikili oksidasyon mekanizması, hızlı ve verimli lityum ekstraksiyonunu destekler, geniş bir evrenselliğe sahiptir ve önemli ekonomik ve çevresel faydalar sağlar.
Deneysel sonuçlar ve tartışma
Deneysel sonuçlar, bu ikili oksidasyon mekanizmasının, geleneksel elektrokimyasal lityum liç yöntemleriyle karşılaştırıldığında farklı elektrolitlerde daha hızlı kinetik ve daha yüksek lityum liç verimliliği sergilediğini göstermektedir.
Özellikle NaCl elektrolitte lityum liç verimliliği 40 dakika içerisinde %88,7'ye ulaştı; bu oran Na2SO4 ve NaNO3 elektrolitlerine göre çok daha yüksektir.
Ek olarak deney, Cl⁻ konsantrasyonunun artmasıyla lityumun süzme kinetiğinin hızlandığını da buldu; bu, elektrokatalitik oksidasyonla üretilen aktif klor türlerinin LiFePO4 parçacıklarının bölünmesini destekleyebileceğini ve böylece Li⁺'nin süzme kinetiğini iyileştirebileceğini gösterdi.
Araştırmacılar ayrıca, yerinde toz X-ışını kırınımı (XRD), yerinde transmisyon elektron mikroskobu (TEM), elektron enerji kaybı spektroskopisi (EELS) ve X-ışını gibi tekniklerle lityum liçi sırasında elektrotun atomik seviyedeki yapısal evrimini de incelediler. ışın fotoelektron spektroskopisi (XPS).
Bu teknikler, Li⁺'nin LiFePO4'te kısmi sızıntı ve düzensizlik yaşadığı ve sonunda çerçeve kanalından tamamen kurtulduğu ikili oksidasyon işlemi sırasında LiFePO4'ün dinamik kristal yapı evrimini ortaya çıkardı.
1. İkili oksidasyon mekanizmasının evrenselliği
Bu mekanizmanın daha geniş uygulanabilirliğini değerlendirmek için araştırmacılar, LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 ve lityum içeren atık lityum-iyon piller dahil olmak üzere, 0.50 M NaCl elektrolit içindeki farklı lityum konakçıları üzerinde liç deneyleri gerçekleştirdiler. mineral spodümen.
Deneysel sonuçlar, bu ikili oksidasyon mekanizmasının, bu farklı lityum konakçılarında iyi lityum süzme verimliliği sergilediğini ve sürdürülebilir lityum geri kazanımında geniş uygulanabilirliğini ortaya koyduğunu göstermektedir.
2. Elektrokimyasal deniz suyu elektroliz sistemi
Araştırmacılar ayrıca atık LiFePO4'ten lityum süzülmesini sağlamak için bu ikili oksidasyon mekanizmasını fotovoltaik panellerle birleştirdi. Çok kanallı yumuşatılmış deniz suyu elektrolizörü kullanarak, sistemin yüksek NaCl konsantrasyonlarında ilk aşamada %94,87 lityum liç verimliliğine ulaşabileceğini gösterdiler.
İkinci aşamada, elektrotlar 10 saat boyunca yerinde üretilen oksitleyici elektrolitte bırakıldı ve nihai lityum liç verimliliği daha da %98,96'ya artırılabildi. Tüm sistem, tehlikeli kimyasallar veya CO2 emisyonları kullanılmadan, 1,0 kg atık LiFePO4'ü geri kazanmak için yalnızca 0,054 kWh kg⁻¹ enerji tüketimi gerektirir.
3. Çevresel faydalar ile teknik ve ekonomik değerlendirme
Araştırmacılar, bu elektrokimyasal çok kanallı liç sistemi ve geri kazanım sürecinin kapsamlı bir çevresel faydası ile teknik ve ekonomik değerlendirmesini gerçekleştirdi.
Geleneksel termometalurjik ve hidrometalurjik yöntemlerle karşılaştırıldığında sistem, enerji tüketimini ve sera gazı emisyonlarını azaltırken lityum seçiciliğini ve liç oranını artırarak daha güvenli ve daha çevre dostu bir alternatif sunuyor.
Tekno-ekonomik bir perspektiften bakıldığında araştırmacılar, atık LiFePO4 tozu maliyetleri, enerji tüketimi, ekipman amortismanı, kimyasal reaktif kullanımı ve geri kazanılan ürünlerden elde edilen gelirler dahil olmak üzere ilgili tüm maliyetleri ve gelir akışlarını ayrıntılı olarak incelediler.
Analiz, lityumun 1,0 kg atık LiFePO4 tozundan geri kazanılmasının toplam yatırım maliyetinin 2,86$/kg olduğunu, ancak Li2CO3 satışı yoluyla 4,27 $/kg gelir elde edildiğini gösterdi ve FePO4 ve elektrik tasarrufu, sonuçta 1,41 $/kg brüt kâr elde edildi ve bu da çift oksit lityum liçi ve geri kazanım sürecinin ekonomik uygulanabilirliğini vurguladı.
Çözüm
Bu elektrokimyasal çift oksit elektroliz sistemi, deniz suyunu kullanarak çok çeşitli lityum içeren katı matrislerden hızlı ve verimli lityum geri kazanımı sağlar. Atomik seviyedeki karakterizasyon, elektrik alanının ve yerinde üretilen oksidanların sinerjistik etki mekanizmasını ortaya koymaktadır. Bu ikili oksidasyon mekanizması, lityumun çeşitli atık lityum-iyon pillerden ve minerallerden verimli bir şekilde geri kazanılması için büyük bir potansiyele sahiptir ve bunun ölçeklenebilirliğinin, anahtar metallerin doğrudan yeşil ekstraksiyonu da dahil olmak üzere gelecekte diğer anahtar metallerin ekstraksiyonunda yaygın olarak kullanılması beklenmektedir. doğal mineraller ve diğer kentsel madenler.
Bu çevre dostu ışıkla çalışan yöntem yalnızca çevresel sürdürülebilirliği artırmakla kalmıyor, aynı zamanda ekonomik fizibiliteyi de geliştirerek geleneksel yöntemlere kıyasla karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltıyor. Daha genel anlamda bu sistem, kıyı bölgelerinde karbon nötr olan kapalı devre, sürdürülebilir bir lityum döngüsünün önünü açıyor.
