"Il s'agit d'un processus peu coûteux et à forte absorption de lithium", a déclaré Parans Paranthaman, ORNL Corporate Fellow et National Academy of Inventors Fellow avec 58 brevets délivrés. Il a dirigé l'expérience de validation de principe avec Jayanthi Kumar, un chimiste des matériaux de l'ORNL possédant une expertise dans la conception, la synthèse et la caractérisation de matériaux en couches.

"Le principal avantage est qu'il fonctionne dans une plage de pH plus large, de 5 à 11, par rapport aux autres méthodes d'extraction directe du lithium", a déclaré Paranthaman. Le processus d'extraction sans acide se déroule à 140 degrés Celsius, par rapport aux méthodes traditionnelles qui grillent les minéraux extraits à 250 degrés Celsius avec de l'acide ou entre 800 et 1 000 degrés Celsius sans acide.

L'équipe a déposé une demande de brevet pour l'invention.

Le lithium est un métal léger couramment utilisé dans les batteries rechargeables et à forte densité énergétique. Les véhicules électriques, nécessaires pour atteindre zéro émission nette d’ici 2050, reposent sur des batteries lithium-ion. Industriellement, le lithium est extrait des saumures, des roches et des argiles. L'innovation ORNL pourrait aider à répondre à la demande croissante de lithium en rendant les sources nationales commercialement viables.

La recherche révèle une voie pour sortir du statu quo :une économie linéaire dans laquelle les matériaux issus de l’exploitation minière, du raffinage ou du recyclage sont transformés en produits qui, à la fin de leur vie, sont jetés comme déchets. Le travail s'oriente vers une économie circulaire dans laquelle les matériaux sont maintenus en circulation le plus longtemps possible pour réduire la consommation de ressources vierges et la génération de déchets.

L'invention de l'ORNL repose sur l'hydroxyde d'aluminium, un minéral abondant dans la croûte terrestre. Les scientifiques ont utilisé de l'hydroxyde d'aluminium comme sorbant, un matériau qui absorbe un autre matériau (dans ce cas, le sulfate de lithium) et le retient.

Dans un processus appelé lithiation, une poudre d'hydroxyde d'aluminium extrait les ions lithium d'un solvant pour former une phase d'hydroxyde double en couches stable, ou LDH. Ensuite, lors de la délithiation, le traitement à l'eau chaude amène la LDH à renoncer aux ions lithium et à régénérer le sorbant. Lors de la relithiation, le sorbant est réutilisé pour extraire davantage de lithium. "C'est la base d'une économie circulaire", a déclaré Paranthaman.

La recherche est publiée dans la revue ACS Applied Materials &Interfaces . Un deuxième article connexe, publié simultanément dans The Journal of Physical Chemistry C , a exploré la stabilité de la délithiation dans diverses conditions.

L'hydroxyde d'aluminium existe sous quatre formes cristallines hautement ordonnées et une forme amorphe ou désordonnée. La forme s'avère jouer un rôle important dans la fonction du sorbant.

Kumar s'est rendu à l'Université d'État de l'Arizona pour travailler avec Alexandra Navrotsky afin de mesurer la thermodynamique des réactions chimiques. Bruce Moyer, membre d'ORNL Corporate Fellow, un expert renommé en science et technologie de séparation, a donné un aperçu des expériences cinétiques.

"Sur la base de mesures calorimétriques, nous avons appris que l'hydroxyde d'aluminium amorphe est la forme la moins stable parmi les hydroxydes d'aluminium et qu'il est donc très réactif", a déclaré Kumar. "C'était la clé de cette méthode, qui a permis d'obtenir une plus grande capacité d'extraction du lithium."

L'hydroxyde d'aluminium amorphe étant la forme la moins stable des minéraux, il réagit spontanément avec le lithium provenant de la saumure extraite des argiles résiduaires. "Ce n'est que lorsque nous avons effectué les mesures que nous avons réalisé que la forme amorphe est beaucoup, beaucoup moins stable. C'est pourquoi elle est plus réactive", a déclaré Kumar. "Pour gagner en stabilité, il réagit très vite par rapport aux autres formes."

Kumar optimise le processus par lequel le sorbant adsorbe sélectivement le lithium des liquides contenant du lithium, du sodium et du potassium et forme ensuite du sulfate de LDH.

Au Center for Nanophase Materials Sciences, un établissement utilisateur du DOE Office of Science à ORNL, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à balayage pour caractériser la morphologie de l'hydroxyde d'aluminium pendant la lithiation. Il s’agit d’une couche neutre chargée qui contient des lacunes atomiques ou de minuscules trous. Le lithium est absorbé sur ces sites. La taille de ces lacunes est la clé de la sélectivité de l'hydroxyde d'aluminium pour le lithium, qui est un ion ou un cation chargé positivement.

"Ce site vacant est si petit qu'il ne peut contenir que des cations de la taille du lithium", a déclaré Kumar. "Le sodium et le potassium sont des cations avec des rayons plus grands. Les plus gros cations ne rentrent pas dans le site vacant. Cependant, ils correspondent parfaitement au lithium."

La sélectivité de l’hydroxyde d’aluminium amorphe pour le lithium se traduit par une efficacité presque parfaite. En une seule étape, le processus a capturé 37 milligrammes de lithium par gramme de sorbant récupérable, soit environ cinq fois plus qu'une forme cristalline d'hydroxyde d'aluminium appelée gibbsite, qui était auparavant utilisée pour l'extraction du lithium.

La première étape de lithiation extrait 86 % du lithium présent dans le lixiviat, ou saumure, des sites miniers ou des champs de pétrole. Faire passer le lixiviat à travers le sorbant d’hydroxyde d’aluminium amorphe une seconde fois récupère le reste du lithium. "En deux étapes, vous pouvez récupérer entièrement le lithium", a déclaré Paranthaman.

Venkat Roy et Fu Zhao de l'Université Purdue ont analysé les avantages du cycle de vie d'une économie circulaire issue de l'extraction directe du lithium. Ils ont comparé le procédé ORNL à une méthode standard utilisant du carbonate de sodium. Ils ont découvert que la technologie ORNL utilisait un tiers du matériau et un tiers de l'énergie et générait par conséquent moins d'émissions de gaz à effet de serre.

Ensuite, les chercheurs souhaitent étendre le processus pour extraire davantage de lithium et régénérer le sorbant sous une forme spécifique. Désormais, lorsque le sorbant d'hydroxyde d'aluminium amorphe réagit avec le lithium et est ensuite traité avec de l'eau chaude pour éliminer le lithium et régénérer le sorbant, le résultat est un changement structurel dans le polymorphe de l'hydroxyde d'aluminium d'une forme amorphe à une forme cristalline appelée bayérite.

"La forme bayérite est moins réactive", a déclaré Kumar. "Il faut soit plus de temps - 18 heures - soit un lithium plus concentré pour réagir, contrairement à la forme amorphe, qui réagit dans les 3 heures pour récupérer tout le lithium de la solution de lixiviat. Nous devons trouver un moyen de revenir à la phase amorphe, dont nous savons qu'elle est très réactive."

Le succès de l’optimisation du nouveau processus en termes de vitesse et d’efficacité d’extraction pourrait changer la donne pour l’approvisionnement national en lithium. Plus de la moitié des réserves terrestres mondiales de lithium se trouvent dans des endroits où la concentration de minéraux dissous est élevée, comme dans la mer de Salton en Californie ou dans les champs de pétrole du Texas et de Pennsylvanie.

"Au niveau national, nous ne produisons pas vraiment de lithium", a déclaré Paranthaman. "Moins de 2 % du lithium destiné à la fabrication provient d'Amérique du Nord. Si nous pouvons utiliser le nouveau procédé ORNL, nous disposons de diverses sources de lithium partout aux États-Unis. Le sorbant est si bon que vous pouvez l'utiliser pour n'importe quelle saumure ou même solution de batteries lithium-ion recyclées."