Una celda electroquímica recolecta litio del agua de mar a bajo coste

El litio es un elemento vital en las baterías que alimentan los vehículos eléctricos, pero se espera que la creciente demanda de este elemento químico agote las reservas terrestres para 2080. Los investigadores de KAUST (Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdalá) en Arabia Saudita, han desarrollado un sistema económicamente viable que puede extraer litio de alta pureza del agua de mar.

Los océanos contienen alrededor de 5.000 veces más litio que la tierra, pero en concentraciones extremadamente bajas de alrededor de 0,2 partes por millón (ppm). Los iones más grandes, incluidos el sodio, el magnesio y el potasio, están todos presentes en el agua de mar en concentraciones mucho más altas; sin embargo, los esfuerzos de investigación anteriores para extraer el litio de esta mezcla han arrojado pocos resultados.

La celda necesitaría sólo 5 dólares de electricidad para extraer 1 kilogramo de litio del agua de mar

El equipo de KAUST resolvió este problema con una celda electroquímica que contiene una membrana cerámica hecha de óxido de litio, lantano y titanio (LLTO). Su estructura de cristal contiene orificios lo suficientemente anchos para permitir que los iones de litio pasen mientras bloquean los iones metálicos más grandes. «Las membranas LLTO nunca se habían utilizado para extraer y concentrar iones de litio antes«, asegura el postdoctorado Zhen Li, quien desarrolló la célula.

La celda contiene tres compartimentos. El agua de mar fluye hacia una cámara de alimentación central, donde los iones de litio positivos pasan a través de la membrana LLTO hacia un compartimento lateral que contiene una solución tampón y un cátodo de cobre recubierto con platino y rutenio. Mientras tanto, los iones negativos salen de la cámara de alimentación a través de una membrana de intercambio aniónico estándar, pasando a un tercer compartimento que contiene una solución de cloruro de sodio y un ánodo de platino-rutenio.

Los investigadores probaron el sistema utilizando agua de mar del Mar Rojo. A un voltaje de 3,25 V, la celda genera gas hidrógeno en el cátodo y gas cloro en el ánodo. Esto impulsa el transporte de litio a través de la membrana LLTO, donde se acumula en la cámara lateral. Esta agua enriquecida con litio se convierte en la materia prima para cuatro ciclos más de procesamiento, alcanzando finalmente una concentración de más de 9.000 ppm. El ajuste del pH de esta solución proporciona fosfato de litio sólido que contiene meras trazas de otros iones metálicos, lo suficientemente puro para cumplir con los requisitos de los fabricantes de baterías.

Los investigadores estiman que la celda necesitaría sólo 5 dólares de electricidad para extraer 1 kilogramo de litio del agua de mar. El valor del hidrógeno y el cloro producido por la celda compensaría con creces este costo, y el agua de mar residual también podría usarse en plantas de desalinización para proporcionar agua dulce.

«Continuaremos optimizando la estructura de la membrana y el diseño de la celda para mejorar la eficiencia del proceso«, agrega el líder del grupo, Zhiping Lai. Su equipo también espera colaborar con la industria del vidrio para producir la membrana LLTO a gran escala y a un costo asequible.

Fuente: Energy & Environmental Science.