Alors que les industries à travers le pays entament la transition vers les énergies renouvelables, la demande de batteries, et donc de lithium, devrait augmenter de façon spectaculaire. Mais, avec une grande partie de l'approvisionnement mondial en lithium situé en dehors des États-Unis, les chercheurs recherchent de nouvelles techniques pour l'extraire de sources locales, quoique quelque peu non conventionnelles, telles que les eaux usées pétrolières et les saumures géothermiques.

L'une des plus prometteuses de ces techniques d'extraction est l'intercalation électrochimique, un processus dans lequel les électrodes extraient le lithium d'une eau autrement inutilisable. Jusqu'à récemment, la technologie n'avait pas atteint le niveau souhaité de sélectivité Li pour les ressources en eau extrêmement diluées.

Maintenant, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont montré que les électrodes "d'ensemencement" avec des ions lithium peuvent aider à augmenter la sélectivité au lithium de l'hôte et à repousser les éléments indésirables. Leurs découvertes ont été publiées dans Nature Communications .

Une distinction matérielle

En chimie, l'intercalation est le processus par lequel des ions "invités" sont attirés et stockés dans un matériau "hôte", ce dernier agissant comme une sorte de ruche moléculaire. Le processus est également réversible, ce qui signifie que ces mêmes ions peuvent être extraits et le processus répété encore et encore. C'est le mécanisme clé derrière les piles rechargeables.

Lorsqu'elle est utilisée pour l'extraction du lithium, l'intercalation électrochimique repose sur un matériau hôte - dans ce cas, le phosphate de fer olivine (un type de cristal) - qui est particulièrement bien adapté pour attirer et stocker les ions lithium. Bien que largement étudié et l'un des matériaux les mieux adaptés pour le travail, le phosphate de fer olivine est loin d'être parfait. Les ions concurrents sont souvent attirés dans le matériau hôte avec le lithium, des éléments tels que le sodium, qui réduisent l'efficacité du système.

Liu et son équipe ont voulu comprendre ce qui provoquait ces co-intercalations et ce qui se passait une fois que les deux ions étaient stockés dans le cristal.

En collaboration avec des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Liu et son équipe ont utilisé la microscopie électronique à transmission pour regarder à l'intérieur de leur matériau hôte. Ils ont découvert que le lithium et le sodium avaient tendance à se séparer lorsqu'ils en avaient l'occasion. Cela suggère que les ions lithium et sodium se repoussent à l'intérieur du matériau cristallin, de la même manière que l'huile et l'eau se séparent lorsqu'elles sont mélangées, un processus appelé séparation de phase.

Pour confirmer ce comportement, l'équipe a développé des modèles informatiques en collaboration avec des chercheurs de l'Illinois Institute of Technology.

"Il était remarquable de voir ces phases d'ions se séparer en deux domaines différents, l'un n'étant que du lithium et l'autre uniquement du sodium", a déclaré Liu. "Cela nous a amenés à nous demander comment nous pourrions l'utiliser pour augmenter la sélectivité du lithium."

Semer les graines de l'enquête

Agissant sur leurs découvertes, Liu et son équipe ont conçu un système pour pré-ensemencer leur hôte olivine avec du lithium. Ils ont émis l'hypothèse que cela augmenterait la barrière énergétique des ions sodium, ce qui rendrait plus difficile l'entrée d'éléments indésirables dans l'hôte.

Ils ont découvert que l'ensemencement de 20 à 40 % des sites de stockage de l'ensemble des matériaux hôtes peut augmenter la sélectivité à 1,6 fois et 3,8 fois, respectivement. Les phases de solution solide à haute teneur en Li ensemencées ont montré une forte corrélation avec l'amélioration de la sélectivité.

L'équipe a également observé que plusieurs facteurs, dont la morphologie et les défauts de l'hôte, contribuaient à la sélectivité du lithium, offrant plusieurs pistes de recherche. Des études futures étudieront les conditions d'ensemencement idéales et la morphologie de l'hôte pour maximiser la sélectivité du lithium.

"Nous avons démontré un moyen efficace de manipuler la voie cinétique dans un matériau hôte", a déclaré Liu. "Si vous pouvez contrôler la voie lithium-sodium, vous disposez d'un levier puissant pour influencer la sélectivité du lithium. Cette prise de conscience ouvre la porte à d'autres études et, finalement, à un système durable d'extraction du lithium." + Explorer plus loin

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