Šis raksts ir par jaunu elektroķīmisko "divkāršās oksidācijas" jūras ūdens elektrolīzes sistēmu, kas nodrošina ilgtspējīgu litija reģenerāciju, apvienojot elektrodu oksidēšanu un elektrolītu oksidēšanu. Pētījumu kopīgi veica pētnieki no Dienvidu Zinātnes un tehnoloģijas universitātes, Centrālās Dienvidu universitātes, Ningbo Austrumu Politehniskās universitātes un Šenženas Enerģētikas pētniecības institūta. Publicēts Nacionālās Zinātņu akadēmijas (PNAS) Proceedingings, raksts demonstrē zemas enerģijas un augsta litija reģenerācijas tehnoloģiju, kas ir ļoti svarīga, lai risinātu pieaugošo pieprasījumu pēc litija un samazinātu oglekļa pēdas nospiedumu.
Pētījuma priekšvēsture un nozīme
Pieaugot pieprasījumam pēc litija pārnēsājamās enerģijas uzglabāšanas ierīcēs, tradicionālās ekstrakcijas metodes, piemēram, termiskā metalurģija un hidrometalurģija, arvien vairāk tiek pārbaudītas saistībā ar to ietekmi uz vidi un lielajām CO2 emisijām.
Šīs metodes ir ne tikai energoietilpīgas, bet arī izmanto bīstamas ķīmiskas vielas, radot bažas par ilgtspējību un resursu izsīkšanu. Starptautiskā Enerģētikas aģentūra (IEA) prognozē, ka esošās raktuves līdz 2030. gadam spēs apmierināt tikai pusi no litija nozares pieprasījuma, uzsverot, ka steidzami jāatrod tīrāki un efektīvāki litija reģenerācijas ceļi.
Pētījuma saturs un metodes
Pētnieki ierosināja elektroķīmisko "divkāršās oksidācijas" jūras ūdens elektrolīzes sistēmu, kas nodrošina zemu oglekļa pēdu un augstu litija reģenerācijas ātrumu, apvienojot elektrodu oksidāciju un elektrolītu oksidāciju. Viņi demonstrēja litija atgūšanu no izmestiem LiFePO4 katoda materiāliem ar atgūšanas ātrumu 98,96% un produkta tīrību 99,60%.
Veicot padziļinātus mehānismu pētījumus, tika atklāts, ka elektriskā lauka vadītā elektrodu oksidēšana un in situ ģenerētais oksidatīvais elektrolīts sinerģiski veicināja litija jonu izskalošanos, izmantojot strukturālo karkasa elementu oksidācijas un daļiņu korozijas sadalīšanas sinerģisko efektu.
Šis divkāršais oksidācijas mehānisms veicina ātru un efektīvu litija ekstrakciju, ir plaši universāls, un tas sniedz ievērojamus ekonomiskus un vides ieguvumus.
Eksperimenta rezultāti un diskusija
Eksperimentālie rezultāti liecina, ka šim dubultās oksidācijas mehānismam ir ātrāka kinētika un augstāka litija izskalošanās efektivitāte dažādos elektrolītos, salīdzinot ar tradicionālajām elektroķīmiskajām litija izskalošanās metodēm.
Jo īpaši NaCl elektrolītā litija izskalošanās efektivitāte sasniedza 88,7% 40 minūšu laikā, kas ir daudz augstāka nekā Na2SO4 un NaNO3 elektrolītu efektivitāte.
Turklāt eksperiments arī atklāja, ka, palielinoties Cl⁻ koncentrācijai, litija izskalošanās kinētika paātrinājās, norādot, ka elektrokatalītiskās oksidācijas rezultātā radušās aktīvās hlora sugas var veicināt LiFePO4 daļiņu sadalīšanos, tādējādi uzlabojot Li⁺ izskalošanās kinētiku.
Pētnieki arī pētīja elektroda atomu līmeņa strukturālo attīstību litija izskalošanās laikā, izmantojot tādas metodes kā in situ pulvera rentgenstaru difrakcija (XRD), in situ transmisijas elektronu mikroskopija (TEM), elektronu enerģijas zuduma spektroskopija (EELS) un X- staru fotoelektronu spektroskopija (XPS).
Šīs metodes atklāja LiFePO4 dinamisko kristāla struktūras attīstību dubultās oksidācijas procesā, kurā Li⁺ piedzīvoja daļēju izskalošanos un traucējumus LiFePO4 un beidzot pilnībā izkļuva no karkasa kanāla.
1. Duālās oksidācijas mehānisma universālums
Lai novērtētu šī mehānisma plašāku pielietojamību, pētnieki veica izskalošanās eksperimentus ar dažādiem litija saimniekiem 0,50 M NaCl elektrolītā, ieskaitot litija jonu akumulatoru atkritumus, kas satur LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 un litiju saturošus. minerāls spodumēns.
Eksperimentālie rezultāti liecina, ka šim divkāršajam oksidācijas mehānismam ir laba litija izskalošanās efektivitāte šajos dažādos litija saimniekos, parādot tā plašo pielietojamību ilgtspējīgā litija reģenerācijā.
2. Elektroķīmiskā jūras ūdens elektrolīzes sistēma
Pētnieki vēl vairāk apvienoja šo dubulto oksidācijas mehānismu ar fotoelektriskiem paneļiem, lai veicinātu litija izskalošanos no LiFePO4 atkritumiem. Izmantojot daudzkanālu mīkstinātu jūras ūdens elektrolizatoru, viņi parādīja, ka sistēma var sasniegt 94,87% litija izskalošanās efektivitāti pirmajā posmā pie augstām NaCl koncentrācijām.
Otrajā posmā elektrodi tika atstāti in situ ģenerētajā oksidējošajā elektrolītā uz 10 stundām, un galīgo litija izskalošanās efektivitāti varēja vēl vairāk uzlabot līdz 98,96%. Visai sistēmai ir nepieciešams tikai enerģijas patēriņš 0,054 kWh kg⁻¹, lai atgūtu 1,0 kg atkritumu LiFePO4, neizmantojot bīstamas ķīmiskas vielas vai CO2 emisijas.
3. Vides ieguvumi un tehniskais un ekonomiskais novērtējums
Pētnieki veica šīs elektroķīmiskās daudzkanālu izskalošanās sistēmas un reģenerācijas procesa visaptverošu vides ieguvumu un tehnisko un ekonomisko novērtējumu.
Salīdzinot ar parastajām termometalurģijas un hidrometalurģijas metodēm, sistēma piedāvā drošāku un videi draudzīgāku alternatīvu, samazinot enerģijas patēriņu un siltumnīcefekta gāzu emisijas, vienlaikus palielinot litija selektivitāti un izskalošanās ātrumu.
No tehnoloģiski ekonomiskā viedokļa pētnieki detalizēti pārskatīja visas saistītās izmaksas un ieņēmumu plūsmas, tostarp LiFePO4 pulvera atkritumu izmaksas, enerģijas patēriņu, aprīkojuma nolietojumu, ķīmisko reaģentu izmantošanu un ieņēmumus no reģenerētajiem produktiem.
Analīze parādīja, ka kopējās investīciju izmaksas litija reģenerācijai no 1.0 kg atkritumu LiFePO4 pulvera bija USD 2.86/kg, tomēr ieņēmumi 4,27 USD/kg tika gūti, pārdodot Li2CO3 un FePO4 un elektroenerģijas ietaupījums, kā rezultātā bruto peļņa ir USD 1,41/kg, uzsverot divu oksīdu litija izskalošanās un reģenerācijas procesa ekonomisko dzīvotspēju.
Secinājums
Šī elektroķīmiskā divu oksīdu elektrolīzes sistēma nodrošina ātru un efektīvu litija atgūšanu no plaša litiju saturošu cieto matricu klāsta, izmantojot jūras ūdeni. Atomu līmeņa raksturojums atklāj elektriskā lauka un in situ radīto oksidētāju sinerģiskās darbības mehānismu. Šim dubultās oksidācijas mehānismam ir liels potenciāls efektīvai litija reģenerācijai no dažādiem litija jonu akumulatoru un minerālu atkritumiem, un paredzams, ka tā mērogojamība nākotnē tiks plaši izmantota citu galveno metālu ieguvē, tostarp galveno metālu zaļajā ieguvē tieši no dabīgie minerāli un citas pilsētas raktuves.
Šī videi draudzīgā gaismas vadītā metode ne tikai uzlabo vides ilgtspējību, bet arī uzlabo ekonomisko iespējamību, ievērojami samazinot oglekļa emisijas salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm. Plašāk runājot, šī sistēma paver ceļu slēgta cikla ilgtspējīgam litija ciklam, kas piekrastes apgabalos ir neitrāls oglekļa emisijām.
