Исследователи разработали новый метод извлечения лития из горных пород.

Если этот проект получит широкое распространение, он поможет нам диверсифицировать источники ключевого элемента.

Рассолы, используемые для добычи лития. Фото: Cavan Images. Рассолы, используемые для добычи лития. Фото: Cavan Images.

Хотя мы производим батареи на основе множества различных химических составов, ничто не приблизилось к масштабам производства литиевых батарей. Такие масштабы затрудняют конкуренцию с литий-ионными батареями с точки зрения экономической эффективности. Даже если мы разработаем превосходную технологию производства батарей, неясно, сможем ли мы достаточно быстро снизить производственные затраты, чтобы конкурировать с эффективностью цепочки поставок лития и производства.

Единственное, что может изменить ситуацию, — это дефицит предложения. Хотя литий чрезвычайно широко распространен, экономически целесообразная добыча лития — это совсем другое дело. Дешевле всего добывать его из рассолов, а богатые литием рассолы в основном находятся в Южной Америке. Мы получаем некоторое количество лития из других источников, но это значительно дороже.

Однако в сегодняшнем номере журнала Science исследовательская группа выявила энергоэффективный способ извлечения лития из горных пород. Разработанный ими процесс потребляет гораздо меньше энергии, чем существующие, восстанавливает все исходные химические вещества и производит побочные продукты, которые также можно продавать.

Реагирующие породы

Как и другие металлы, литий встречается в различных минералах. Например, Геологическая служба США недавно провела инвентаризацию всех месторождений оксида лития на северо-востоке (они обширны), которые находятся в горных породах, называемых пегматитами. Однако в глобальном масштабе, как указывается в новом исследовании, наиболее распространенной литиевой рудой является сподумен, литий-алюминиевый силикат (LiAl(SiO3)2). И этот материал подвергается некоторой переработке — просто это энергоемкий процесс, оставляющий после себя много отходов.

Это происходит потому, что процесс начинается с нагревания минерала примерно до 1000 °C для разрушения его плотной структуры, после чего для выщелачивания лития используется серная кислота. Полученный раствор сульфата лития затем преобразуется в вещество, полезное для производства батарей (обычно карбонат лития), оставляя после себя серосодержащие отходы.

Новая работа была выполнена в результате сотрудничества исследователей из Массачусетского технологического института и нескольких компаний из Бостона. Их целью был процесс, который был бы гораздо более энергоэффективным и производил бы меньше отходов. В результате они разработали процесс, в котором ключевое химическое вещество, используемое в начале процесса, регенерируется на более позднем этапе, и как кремний, так и алюминий в минерале в конечном итоге оказываются в форме, которая уже используется в коммерческих целях.

Ключевым химическим веществом в этом процессе является фторид аммония (NH4F). Можно использовать соль непосредственно в расплавленном виде, но нагревание неизбежно приводит к образованию фтороводорода, который является чрезвычайно опасным веществом (хотя его всё же используют позже). Поэтому вместо этого его использовали в растворенном в воде виде, что, по-видимому, предотвращает эти реакции. В этом процессе нагревание раствора примерно до 70°C приводит к образованию ионов NH4F2, выделяя газообразный аммиак, который используется позже в процессе.

Этот ион отдает атом фтора литию, в результате чего образуется водный раствор фторида лития. Кремний также образует растворимый ион (NH4)2SiF6), а алюминий образует аналогичный ион, который остается в твердом состоянии (NH4)3AlF6). Каждый из этих растворов обрабатывается отдельно.

Использовать всё

Начнём с химии алюминия, которая представляет собой один из наиболее простых путей. Первоначально нагревание (NH4)3AlF6 примерно до 300°C приводит к образованию трифторида алюминия и выделению аммиака и фтороводорода. Затем повышение температуры до 700°C вызывает реакцию трифторида алюминия с водой, в результате чего образуется оксид алюминия и выделяется ещё больше фтороводорода.

Повторюсь, фторид водорода — опасное вещество, требующее осторожного обращения. Но он также легко вступает в реакцию с аммиаком (который образуется в ходе двух различных реакций) и восстанавливает фторид аммония, который использовался для начала всего процесса. Таким образом, помимо незначительных потерь из-за неэффективности, процесс регенерирует один из ключевых компонентов. Между тем, оксид алюминия является одним из ключевых исходных материалов для производства металлического алюминия, и поэтому его можно использовать в этом процессе, учитывая, что чистота конечного продукта здесь превышает 98 процентов.

Здесь следует отметить, что это, пожалуй, худший аспект всего процесса, учитывая энергозатраты на поддержание таких температур и использование крайне опасных химических веществ.

Напротив, очистка кремния — проще простого. Простое добавление большего количества аммиака в раствор привело к тому, что исходное химическое вещество (NH4)2SiF6) прореагировало с водой, высвободив диоксид кремния и фторид аммония. Опять же, раствор фторида аммония является одним из исходных материалов; диоксид кремния просто выпадает в осадок из этого раствора. Это имеет множество применений, но команда показала, что это довольно эффективно для упрочнения бетона.

В итоге у нас остается только раствор фторида лития. Это, по сути, один из исходных ингредиентов для производства распространенного электролита для батарей, LiPF6. В качестве альтернативы исследователи показали, что его можно прореагировать с азотной кислотой и (снова) выделить фторид водорода, оставив после себя нитрат лития. При нагревании он разложится на оксид лития, который легко преобразовать в другие исходные материалы для батарей.

Проверка экономических аспектов

Хотя этот процесс позволяет избежать высоких температур, необходимых для первоначальной обработки литийсодержащей руды, на последующих этапах требуется несколько этапов с повышенными температурами как для получения лития, так и для получения полезных продуктов — алюминия и кремния. Поэтому исследователи провели полную экономическую оценку того, насколько их процесс сопоставим с уже существующими на рынке решениями.

Существующий процесс, включающий обжиг руды с серной кислотой, обходился чуть менее чем в 9000 долларов за тонну пригодного для использования лития. В отличие от этого, по оценкам, новый процесс должен стоить чуть более 5000 долларов за тонну. Это примерно сопоставимо со стоимостью выделения лития из высококачественных рассолов. Если кремний и алюминий также можно будет продавать, то стоимость всего процесса снизится более чем на 1000 долларов, что сделает его очень экономически выгодным.

Конечно, эти цифры сопровождаются множеством оговорок: цены меняются в зависимости от спроса и предложения; не каждый источник сподумена производит руду эквивалентного качества; переход на этот процесс может потребовать инвестиций в новое промышленное оборудование и т. д. Поэтому реальный мир, несомненно, будет сложнее, чем могут показаться эти расчеты. Тем не менее, в нашем мире, все больше зависящем от лития, приятно иметь альтернативы на случай серьезного дефицита поставок.

Кроме того, очень приятно видеть, что у химиков по-прежнему есть возможность переосмыслить крупные промышленные процессы.

Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aec4652 (О DOI).

Источник: arstechnica.com