À medida que as indústrias de todo o país iniciam a transição para energia renovável, a demanda por baterias e, portanto, por lítio, deve aumentar drasticamente. Mas, com grande parte do suprimento global de lítio localizado fora dos Estados Unidos, os pesquisadores estão procurando novas técnicas para extraí-lo de fontes locais, embora não convencionais, como águas residuais de petróleo e salmouras geotérmicas.
Uma das mais promissoras dessas técnicas de extração é a intercalação eletroquímica, um processo no qual os eletrodos extraem o lítio da água inutilizável. Até recentemente, a tecnologia não atingiu o nível desejado de seletividade do Li para recursos hídricos extremamente diluídos.

Agora, pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago mostraram que eletrodos de "semeadura" com íons de lítio podem ajudar a aumentar a seletividade de lítio do hospedeiro e repelir elementos indesejados. Suas descobertas foram publicadas em Nature Communications .

Uma distinção material

Em química, a intercalação é o processo pelo qual os íons "convidados" são atraídos e armazenados dentro de um material "hospedeiro", este último agindo como uma espécie de colméia molecular. O processo também é reversível, o que significa que esses mesmos íons podem ser extraídos e o processo repetido várias vezes. É o principal mecanismo por trás das baterias recarregáveis.

Quando usada para extração de lítio, a intercalação eletroquímica depende de um material hospedeiro – neste caso, fosfato de ferro de olivina (um tipo de cristal) – que é especialmente adequado para atrair e armazenar íons de lítio. Embora amplamente estudado e um dos materiais mais adequados para o trabalho, o fosfato de ferro de olivina está longe de ser perfeito. Os íons concorrentes são frequentemente atraídos para o material hospedeiro junto com o lítio, elementos como o sódio, que reduzem a eficácia do sistema.

Liu e sua equipe queriam entender o que levou a essas co-intercalações e o que aconteceu quando os dois íons foram armazenados dentro do cristal.

Trabalhando com pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, Liu e sua equipe usaram microscopia eletrônica de transmissão para olhar dentro de seu material hospedeiro. Eles descobriram que o lítio e o sódio tendiam a se separar quando tinham a chance. Isso sugeriu que os íons de lítio e sódio se repeliam dentro do material cristalino, da mesma forma que o óleo e a água se separam quando misturados, um processo chamado separação de fases.

Para confirmar esse comportamento, a equipe desenvolveu modelos computacionais em colaboração com pesquisadores do Illinois Institute of Technology.

"Foi notável ver esses íons separados em dois domínios diferentes, onde um domínio era apenas lítio e outro era apenas sódio", disse Liu. “Isso nos fez pensar em como poderíamos usá-lo para aumentar a seletividade do lítio”.

Semeando as sementes da investigação

Atuando em suas descobertas, Liu e sua equipe criaram um sistema para pré-semear seu hospedeiro de olivina com lítio. Eles teorizaram que isso aumentaria a barreira de energia para os íons de sódio, dificultando a entrada de elementos indesejados no hospedeiro.

Eles descobriram que a semeadura de 20 a 40 por cento dos locais de armazenamento dos materiais hospedeiros em geral pode aumentar a seletividade para 1,6 vezes e 3,8 vezes, respectivamente. As fases de solução sólida de alto teor de Li semeadas mostraram uma forte correlação com o aumento da seletividade.

A equipe também observou que vários fatores, incluindo a morfologia e os defeitos do hospedeiro, contribuíram para a seletividade do lítio, oferecendo vários caminhos para novas pesquisas. Estudos futuros investigarão as condições ideais de semeadura e a morfologia do hospedeiro para maximizar a seletividade do lítio.

"Nós demonstramos uma maneira eficaz de manipular a via cinética em um material hospedeiro", disse Liu. "Se você pode controlar o caminho lítio-sódio, você tem uma poderosa alavanca para influenciar a seletividade do lítio. Essa percepção abre uma porta para mais estudos e, em última análise, um sistema sustentável de extração de lítio." + Explorar mais

Tecnologia emergente pode ajudar a extrair lítio de novas fontes