Pin điện hóa khai thác liti từ nước biển

Liti là nguyên tố cần thiết cho pin liti, nguồn cung cấp năng lượng cho xe điện. Tuy nhiên, do nhu cầu liti tăng cao nên theo dự báo nguồn dự trữ liti trên đất liền sẽ cạn kiệt vào năm 2080. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST), Ả-rập-xê-út đã phát triển được một hệ thống chiết xuất liti có độ tinh khiết cao từ nước biển theo hướng hiệu quả về mặt kinh tế.

So với đất liền, các đại dương chứa lượng liti lớn gấp khoảng 5.000 lần nhưng với nồng độ cực thấp, khoảng 0,2 ppm. Các ion lớn hơn, bao gồm natri, magiê và kali, cũng có trong nước biển với nồng độ cao hơn nhiều. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã tiến hành tách liti từ hỗn hợp này, nhưng hiệu quả khá thấp. Hiện nay, nhóm nghiên cứu tại KAUST đã tạo bước đột phá trong lĩnh vực này khi sử dụng pin điện hóa chứa màng gốm làm từ oxit titan liti lantan (LLTO). Cấu trúc tinh thể của pin chứa các lỗ vừa đủ rộng để cho các ion liti đi qua đồng thời chặn các ion kim loại lớn hơn.

Pin có ba khoang. Nước biển chảy vào khoang cấp liệu trung tâm, nơi các ion liti mang điện tích dương di chuyển qua màng LLTO vào khoang bên cạnh chứa dung dịch đệm và cực âm bằng đồng phủ bạch kim và rutheni. Trong khi đó, các ion liti mang điện tích âm di chuyển khỏi khoang cấp liệu qua màng trao đổi ion âm tiêu chuẩn, đi vào khoang thứ ba chứa dung dịch natri clorua và cực dương bạch kim - rutheni.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống với nước biển lấy từ Biển Đỏ. Khi ở hiệu điện thế 3,25V, pin sinh ra khí hydro ở cực âm và khí clo ở cực dương. Điều này thúc đẩy quá trình vận chuyển liti qua màng LLTO và tích tụ trong khoang bên cạnh. Nước được làm giàu liti trở thành nguyên liệu cho bốn chu kỳ xử lý nữa và cuối cùng đạt đến nồng độ hơn 9.000 ppm. Việc điều chỉnh độ pH của dung dịch này tạo ra liti photphat rắn chứa rất ít các ion kim loại khác, đến độ đủ tinh khiết để đáp ứng yêu cầu của các nhà sản xuất pin.

Theo ước tính của nhóm nghiên cứu, chỉ cần 5 USD tiền điện để chiết xuất 1 kg liti từ nước biển. Giá trị của hydro và clo do pin tạo ra nhiều hơn nên sẽ bù đắp chi phí này và lượng nước biển còn lại sau quá trình chiết xuất liti cũng có thể được sử dụng trong các nhà máy khử mặn để sản xuất nước ngọt.

Zhiping Lai, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết nhóm sẽ tiếp tục tối ưu hóa cấu trúc màng và thiết kế pin để tăng hiệu quả của quy trình. Ngoài ra, các nhà khoa học hy vọng sẽ hợp tác với ngành công nghiệp thủy tinh để sản xuất màng LLTO trên quy mô lớn với chi phí hợp lý.