持続可能なリチウム回収のための太陽光発電による二重酸化海水電解装置

この記事は、電極酸化と電解質酸化を組み合わせることで持続可能なリチウム回収を実現する、新しい電気化学「二重酸化」海水電解システムについて説明します。この研究は、南方科技大学、中南大学、寧波東方理工大学、深センエネルギー研究所の研究者によって共同で行われた。米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に掲載されたこの論文は、増大するリチウム需要に対応し、二酸化炭素排出量を削減する上で非常に重要な、低エネルギー、高リチウム回収技術を実証しています。

ポータブルエネルギー貯蔵装置におけるリチウムの需要の高まりに伴い、熱冶金や湿式冶金などの従来の抽出方法は、環境フットプリントと大量の CO2 排出量に関してますます注目されるようになりました。

これらの方法はエネルギーを大量に消費するだけでなく、有害な化学物質を使用するため、持続可能性と資源の枯渇に対する懸念が生じます。国際エネルギー機関（IEA）は、既存の鉱山では2030年までにリチウム産業の需要の半分しか満たせないと予測しており、よりクリーンでより効率的なリチウム回収経路の発見の緊急性を強調している。

研究者らは、電極の酸化と電解質の酸化を組み合わせることで、低炭素排出量と高いリチウム回収率を実現する電気化学的な「二重酸化」海水電解システムを提案した。彼らは、廃棄された LiFePO4 正極材料からリチウムを回収し、回収率 98.96%、製品純度 99.60% を実証しました。

詳細なメカニズムの研究により、電場による電極の酸化とその場で生成された酸化性電解質が、構造骨格元素の酸化と粒子の腐食分裂の相乗効果により、リチウムイオンの浸出を相乗的に促進することが判明しました。

この二重酸化メカニズムは、迅速かつ効率的なリチウム抽出を促進し、幅広い汎用性を備え、経済的にも環境的にも大きなメリットをもたらします。

実験結果は、この二重酸化メカニズムが、従来の電気化学的リチウム浸出法と比較して、さまざまな電解質においてより速い反応速度とより高いリチウム浸出効率を示すことを示しています。

特に、NaCl 電解質では、リチウム浸出効率は 40 分以内に 88.7% に達し、Na2SO4 および NaNO3 電解質よりもはるかに高くなりました。

さらに、実験では、Cl⁻濃度の増加に伴ってリチウムの浸出速度が加速することもわかり、電極触媒酸化によって生成された活性塩素種がLiFePO4粒子の分裂を促進し、それによってLi⁺の浸出速度が改善される可能性があることを示しています。

研究者らはまた、その場粉末X線回折(XRD)、その場透過型電子顕微鏡(TEM)、電子エネルギー損失分光法(EELS)、X線分析などの技術を用いて、リチウム浸出中の電極の原子レベルの構造進化を研究した。線光電子分光法 (XPS)。

これらの技術により、二重酸化プロセス中の LiFePO4 の動的結晶構造の進化が明らかになりました。この過程では、Li+ が LiFePO4 内で部分的な浸出と無秩序を経験し、最終的にフレームワーク チャネルから完全に脱出しました。

1. 二重酸化機構の普遍性

このメカニズムの幅広い適用可能性を評価するために、研究者らは、LiCoO2、LiMn2O4、Li(NixCoyMnz)O2、およびリチウム含有リチウムイオン電池を含む、0.50 M NaCl 電解質中でさまざまなリチウムホストで浸出実験を実施しました。ミネラルスポジュメン。

実験結果は、この二重酸化メカニズムがこれらの異なるリチウムホストにおいて良好なリチウム浸出効率を示すことを示し、持続可能なリチウム回収に広く適用できることを実証しています。

2.電気化学的海水電解システム

研究者らはさらに、この二重酸化メカニズムと太陽光発電パネルを組み合わせて、廃棄物LiFePO4からのリチウム浸出を促進しました。彼らは、マルチチャンネル軟化海水電解装置を使用して、このシステムが高NaCl濃度での第一段階で94.87%のリチウム浸出効率を達成できることを実証しました。

第 2 段階では、電極をその場で生成した酸化性電解質中に 10 時間放置し、最終的なリチウム浸出効率をさらに 98.96% に向上させることができました。システム全体では、有害な化学物質や CO2 排出物を使用せずに、1.0 kg の廃棄 LiFePO4 を回収するのに、0.054 kWh kg⁻¹ のエネルギー消費だけが必要です。

3. 環境効果と技術的・経済的評価

研究者らは、この電気化学的マルチチャネル浸出システムと回収プロセスの包括的な環境上の利点と技術的および経済的評価を実施しました。

従来の熱冶金法および湿式冶金法と比較して、このシステムは、リチウムの選択性と浸出率を高めながら、エネルギー消費と温室効果ガスの排出を削減することにより、より安全で環境に優しい代替手段を提供します。

研究者らは、技術経済的な観点から、廃棄物LiFePO4粉末のコスト、エネルギー消費、設備の減価償却費、化学試薬の使用量、回収製品からの収益など、関連するすべてのコストと収益源を詳細に検討した。

分析の結果、1.0kgの廃LiFePO4粉末からリチウムを回収するための総投資コストは2.86/kgであったが、Li2CO3の販売を通じて4.27ドル/kgの収益が得られたことが示された。 FePO4 と電力の節約により、1kg あたり 1.41 ドルの粗利益が得られ、二酸化物リチウムの浸出および回収プロセスの経済的実行可能性が強調されています。

この電気化学的二酸化物電解システムは、海水を使用して広範囲のリチウム含有固体マトリックスから迅速かつ効率的にリチウムを回収します。原子レベルの特性評価により、電場とその場で生成される酸化剤の相乗作用のメカニズムが明らかになります。この二重酸化メカニズムは、さまざまな廃棄リチウムイオン電池や鉱物からリチウムを効率的に回収する大きな可能性を秘めており、その拡張性は、将来的には、リチウムイオン電池から直接キーメタルをグリーン抽出するなど、他のキーメタルの抽出に広く使用されることが期待されています。天然鉱物やその他の都市鉱山。

この環境に優しい光駆動方式は、環境の持続可能性を向上させるだけでなく、経済的実現可能性も向上させ、従来の方式と比較して炭素排出量を大幅に削減します。より広範には、このシステムは沿岸地域におけるカーボンニュートラルな閉ループの持続可能なリチウムサイクルへの道を開きます。