Le lithium est un élément vital des batteries qui alimentent les véhicules électriques, mais la demande croissante de lithium devrait épuiser les réserves terrestres d'ici 2080. Les chercheurs de KAUST ont maintenant développé un système économiquement viable qui peut extraire du lithium de haute pureté de l'eau de mer.

Les océans en contiennent environ 5, 000 fois plus de lithium que la terre mais à des concentrations extrêmement faibles d'environ 0,2 partie par million (ppm). Ions plus gros, y compris le sodium, magnésium et potassium, sont tous présents dans l'eau de mer à des concentrations beaucoup plus élevées; cependant, les efforts de recherche antérieurs pour extraire le lithium de ce mélange ont donné peu de résultats.

L'équipe KAUST a résolu ce problème avec une cellule électrochimique contenant une membrane céramique en oxyde de lithium lanthane et de titane (LLTO). Sa structure cristalline contient des trous juste assez larges pour laisser passer les ions lithium tout en bloquant les ions métalliques plus gros. "Les membranes LLTO n'ont jamais été utilisées pour extraire et concentrer des ions lithium auparavant, " dit le postdoctorant Zhen Li, qui a développé la cellule.

La cellule contient trois compartiments. L'eau de mer s'écoule dans une chambre d'alimentation centrale, où les ions lithium positifs traversent la membrane LLTO dans un compartiment latéral qui contient une solution tampon et une cathode de cuivre recouverte de platine et de ruthénium. Pendant ce temps, les ions négatifs sortent de la chambre d'alimentation à travers une membrane échangeuse d'anions standard, passage dans un troisième compartiment contenant une solution de chlorure de sodium et une anode en platine-ruthénium.

Les chercheurs ont testé le système en utilisant de l'eau de mer de la mer Rouge. A une tension de 3.25V, la cellule génère de l'hydrogène gazeux à la cathode et du chlore gazeux à l'anode. Cela entraîne le transport du lithium à travers la membrane LLTO, où il s'accumule dans la chambre latérale. Cette eau enrichie en lithium devient alors la matière première pour quatre cycles de traitement supplémentaires, atteignant finalement une concentration de plus de 9, 000 ppm. L'ajustement du pH de cette solution fournit du phosphate de lithium solide qui contient de simples traces d'autres ions métalliques, suffisamment purs pour répondre aux exigences des fabricants de batteries.

Les chercheurs estiment que la cellule n'aurait besoin que de 5 $ US d'électricité pour extraire 1 kilogramme de lithium de l'eau de mer. La valeur de l'hydrogène et du chlore produits par la pile ferait plus que compenser ce coût, et l'eau de mer résiduelle pourrait également être utilisée dans les usines de dessalement pour fournir de l'eau douce.

« Nous continuerons à optimiser la structure de la membrane et la conception des cellules pour améliorer l'efficacité du processus, " déclare le chef du groupe Zhiping Lai. Son équipe espère également collaborer avec l'industrie du verre pour produire la membrane LLTO à grande échelle et à un coût abordable.