Fotovoltaïsch aangedreven zeewater-elektrolysator met dubbele oxidatie voor duurzaam lithiumherstel

Dit artikel gaat over een nieuw elektrochemisch "dual-oxidation" zeewater-elektrolysesysteem dat duurzaam lithiumherstel bereikt door elektrode-oxidatie en elektrolytoxidatie te combineren. Het onderzoek werd gezamenlijk uitgevoerd door onderzoekers van de Southern University of Science and Technology, Central South University, Ningbo Oriental Polytechnic University en Shenzhen Institute of Energy Research. Het artikel, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), demonstreert een energiezuinige, hoog-lithium-terugwinningstechnologie die van groot belang is voor het aanpakken van de groeiende vraag naar lithium en het verkleinen van de ecologische voetafdruk.

Met de groeiende vraag naar lithium in draagbare energieopslagapparaten zijn traditionele extractiemethoden zoals thermische metallurgie en hydrometallurgie steeds meer onder de loep genomen vanwege hun ecologische voetafdruk en grote CO2-uitstoot.

Deze methoden zijn niet alleen energie-intensief, maar maken ook gebruik van gevaarlijke chemicaliën, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over duurzaamheid en uitputting van hulpbronnen. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) voorspelt dat de bestaande mijnen in 2030 slechts aan de helft van de vraag van de lithiumindustrie zullen kunnen voldoen, wat de urgentie benadrukt van het vinden van schonere en efficiëntere manieren om lithium terug te winnen.

De onderzoekers stelden een elektrochemisch "dubbele oxidatie" zeewater-elektrolysesysteem voor dat een lage koolstofvoetafdruk en een hoge lithiumterugwinningssnelheid bereikt door elektrode-oxidatie en elektrolytoxidatie te combineren. Ze toonden de terugwinning van lithium uit afgedankte LiFePO4-kathodematerialen aan met een terugwinningspercentage van 98,96% en een productzuiverheid van 99,60%.

Door middel van diepgaande mechanismestudies werd ontdekt dat de door een elektrisch veld aangedreven elektrode-oxidatie en de in situ gegenereerde oxidatieve elektrolyt synergetisch de uitloging van lithiumionen bevorderden door de synergetische effecten van oxidatie van structurele raamwerkelementen en splitsing van deeltjescorrosie.

Dit dubbele oxidatiemechanisme bevordert een snelle en efficiënte lithiumextractie, heeft een brede universaliteit en biedt aanzienlijke economische en ecologische voordelen.

De experimentele resultaten laten zien dat dit dubbele oxidatiemechanisme een snellere kinetiek en een hogere lithiumuitlogingsefficiëntie in verschillende elektrolyten vertoont vergeleken met traditionele elektrochemische lithiumuitloogmethoden.

Met name in NaCl-elektrolyt bereikte de lithiumuitloogefficiëntie binnen 40 minuten 88,7%, wat veel hoger is dan dat van Na2SO4- en NaNO3-elektrolyten.

Bovendien bleek uit het experiment ook dat met de toename van de Cl⁻-concentratie de uitloogkinetiek van lithium versnelde, wat aangeeft dat de actieve chloorsoorten gegenereerd door elektrokatalytische oxidatie de splitsing van LiFePO4-deeltjes kunnen bevorderen, waardoor de uitloogkinetiek van Li⁺ wordt verbeterd.

De onderzoekers bestudeerden ook de structurele evolutie op atomair niveau van de elektrode tijdens het uitlogen van lithium met behulp van technieken zoals in situ poeder-röntgendiffractie (XRD), in situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS) en röntgenstraling. straalfoto-elektronenspectroscopie (XPS).

Deze technieken onthulden de dynamische evolutie van de kristalstructuur van LiFePO4 tijdens het dubbele oxidatieproces, waarbij Li⁺ gedeeltelijke uitloging en wanorde in LiFePO4 ervoer en uiteindelijk volledig uit het raamwerkkanaal ontsnapte.

1. Universaliteit van het dubbele oxidatiemechanisme

Om de bredere toepasbaarheid van dit mechanisme te evalueren, voerden de onderzoekers uitloogexperimenten uit op verschillende lithiumgastheren in 0.50 M NaCl-elektrolyt, inclusief afvallithium-ionbatterijen die LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 en lithiumhoudende batterijen bevatten. mineraal spodumeen.

De experimentele resultaten laten zien dat dit dubbele oxidatiemechanisme een goede lithium-uitlogingsefficiëntie vertoont in deze verschillende lithiumgastheren, wat de brede toepasbaarheid ervan bij duurzaam lithiumherstel aantoont.

2. Elektrochemisch zeewaterelektrolysesysteem

De onderzoekers combineerden dit dubbele oxidatiemechanisme verder met fotovoltaïsche panelen om de uitloging van lithium uit afval LiFePO4 te stimuleren. Met behulp van een meerkanaals onthard zeewater-elektrolysator hebben ze aangetoond dat het systeem in de eerste fase bij hoge NaCl-concentraties een lithium-uitlogingsefficiëntie van 94,87% kan bereiken.

In de tweede fase werden de elektroden gedurende 10 uur in de in situ gegenereerde oxiderende elektrolyt gelaten, en de uiteindelijke lithiumuitloogefficiëntie kon verder worden verbeterd tot 98,96%. Het hele systeem heeft slechts een energieverbruik van 0,054 kWh kg⁻¹ nodig om 1,0 kg afval LiFePO4 terug te winnen, zonder het gebruik van gevaarlijke chemicaliën of CO2-uitstoot.

3. Milieuvoordelen en technische en economische evaluatie

De onderzoekers voerden een uitgebreide milieuvoordelen en technische en economische evaluatie uit van dit elektrochemische meerkanaals uitlogingssysteem en herstelproces.

Vergeleken met conventionele thermometallurgische en hydrometallurgische methoden biedt het systeem een ​​veiliger en milieuvriendelijker alternatief door het energieverbruik en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en tegelijkertijd de lithiumselectiviteit en de uitlogingssnelheid te verhogen.

Vanuit een techno-economisch perspectief hebben de onderzoekers alle daarmee samenhangende kosten en inkomstenstromen in detail beoordeeld, inclusief de kosten van LiFePO4-poederafval, het energieverbruik, de afschrijving van apparatuur, het gebruik van chemische reagentia en de inkomsten uit teruggewonnen producten.

Uit de analyse bleek dat de totale investeringskosten voor het terugwinnen van lithium uit 1,0 kg afval-LiFePO4-poeder $2,86/kg bedroegen. Er werd echter een omzet van $4,27/kg gegenereerd door de verkoop van Li2CO3 en FePO4- en elektriciteitsbesparingen, resulterend in een brutowinst van $ 1,41/kg, wat de economische levensvatbaarheid van het uitloog- en terugwinningsproces van dual-oxide lithium benadrukt.

Dit elektrochemische dual-oxide-elektrolysesysteem bereikt een snelle en efficiënte lithiumterugwinning uit een breed scala aan lithiumhoudende vaste matrices met behulp van zeewater. Karakterisering op atomair niveau onthult het mechanisme van synergetische werking van elektrische velden en in situ gegenereerde oxidanten. Dit dubbele oxidatiemechanisme heeft een groot potentieel voor het efficiënt terugwinnen van lithium uit diverse afvallithium-ionbatterijen en -mineralen, en de schaalbaarheid ervan zal naar verwachting in de toekomst op grote schaal worden gebruikt bij de winning van andere belangrijke metalen, waaronder de groene extractie van belangrijke metalen rechtstreeks uit natuurlijke mineralen en andere stedelijke mijnen.

Deze milieuvriendelijke, op licht gebaseerde methode verbetert niet alleen de ecologische duurzaamheid, maar verbetert ook de economische haalbaarheid, waardoor de CO2-uitstoot aanzienlijk wordt verminderd in vergelijking met traditionele methoden. Breder gezien maakt dit systeem de weg vrij voor een gesloten, duurzame lithiumcyclus die koolstofneutraal is in kustgebieden.