Un innovativo elettrolizzatore a tre camere permette di estrarre litio dalle soluzioni saline naturali in maniera più ecologica, veloce ed efficiente

Un team di ricercatori della Rice University di Houston ha sviluppato un innovativo reattore elettrochimico per estrarre litio dalle soluzioni saline naturali. Il nuovo metodo, che offre un approccio molto promettente per affrontare la crescente domanda globale di litio, migliora la selettività e l’efficienza dell’estrazione del metallo dalle salamoie e permette di ridurre significativamente la produzione di cloro gassoso, rendendo il processo più sicuro ed ecologico.

Il nuovo metodo, inoltre, si è dimostrato capace di estrarre litio con un tasso di purezza del 97,5%, configurandosi come un vero e proprio game changer nell’estrazione elettrochimica del prezioso metallo, indispensabile per la produzione delle batterie di veicoli elettrici, smartphone e altri dispositivi elettronici.

La questione della selettività nell’estrazione del litio

Il litio è un componente fondamentale nelle batterie per l’accumulo di energia rinnovabile e per i veicoli elettrici. I metodi tradizionali per la sua estrazione, però, sono notoriamente complicati – oltre che dalle inevitabili preoccupazioni per l’impatto ambientale del processo – da un elevato fabbisogno energetico e dalla difficoltà di separare il litio dagli altri elementi.

I primi tentativi di isolare l’elemento puro dai suoi sali risalgono all’inizio dell’Ottocento: il litio, allora come oggi, si otteneva tramite elettrolisi. Fino alla fine degli anni Cinquanta, la domanda di litio restò piuttosto contenuta. Poi il metallo iniziò ad essere utilizzato per la produzione di armi di fusione nucleare e bombe all’idrogeno. Alla fine della corsa agli armamenti la domanda diminuì nuovamente, per tornare a crescere rapidamente all’inizio del XXI secolo, quando il metallo divenne il componente principale delle batterie agli ioni di litio.

Le prime miniere in cui si era estratto il litio dalla roccia dura, facendo letteralmente esplodere il terreno, erano già in buona parte dismesse: l’estrazione del metallo dalle soluzioni saline si era rivelata più rapida ed economica. Le salamoie naturali – l’acqua salata che si trova negli ambienti geotermici – sono così diventate un’interessante fonte di litio. Il problema è che queste salamoie contengono anche altri ioni come sodio, potassio, magnesio e calcio, che hanno proprietà chimiche molto simili a quelle del litio, rendendo estremamente difficile una separazione efficiente.

La somiglianza di dimensioni e carica ionica tra il litio e questi altri ioni fa sì che le tecniche di separazione tradizionali spesso non riescano a raggiungere un’elevata selettività, con conseguente consumo di energia e spreco di sostanze chimiche. Inoltre, le salamoie contengono alte concentrazioni di ioni cloruro che possono portare alla produzione di cloro gassoso pericoloso nei processi elettrochimici tradizionali, aggiungendo ulteriori complessità e problemi di sicurezza al processo di estrazione.

Un nuovo reattore per l’estrazione del litio: lo studio

Un team di ingegneri della Rice University guidato da Sibani Lisa Biswal e Haotian Wang ha affrontato le sfide legate all’estrazione del litio dalle salamoie con un nuovo reattore elettrochimico che migliora la selettività e l’efficienza del processo.

Rispetto ai reattori tradizionali, progettati attorno a due camere (una che contiene la salamoia di destinazione e la seconda contiene il litio estratto), il nuovo metodo introduce una terza camera centrale contenente un elettrolita solido poroso, una sorta di “autostrada interconnessa” che impedisce le reazioni indesiderate controllando il flusso di ioni al passaggio della salamoia.

L’elemento chiave di questa innovazione è nell’introduzione di una membrana specializzata in vetroceramica conduttiva agli ioni di litio (LICGC) che consente il passaggio selettivo del litio bloccando gli altri ioni.

Questo tipo di membrana, utilizzata nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido, permette di ridurre significativamente l’interferenza degli altri ioni presenti nelle salamoie naturali – come potassio, magnesio e calcio – migliorando notevolmente l’efficienza del processo.

Come illustrato nello studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, la membrana a scambio cationico agisce come una barriera per gli ioni cloruro, impedendo loro di raggiungere l’area dell’elettrodo dove potrebbero combinarsi per produrre cloro gassoso, riducendo così al minimo la produzione di composti pericolosi.

Come spiega Yuge Feng, prima autrice dello studio:

“Il nostro approccio non solo consente di ottenere un’elevata purezza del litio, ma attenua anche i rischi ambientali associati ai metodi di estrazione tradizionali: il reattore che abbiamo creato è stato progettato per ridurre al minimo la formazione di sottoprodotti e migliorare la selettività del litio”.

Verso un’estrazione del litio più efficiente e meno dannosa per l’ambiente

Il reattore sviluppato dai ricercatori della Rice ha ottenuto risultati impressionanti, tra cui un tasso di purezza del litio del 97,5%. Il nuovo design, inoltre, ha ridotto significativamente la produzione di cloro gassoso, rendendo il processo più sicuro ed ecologico.

Secondo i ricercatori, questo nuovo metodo rappresenta un’importante innovazione per l’estrazione del litio da fonti difficili come le salamoie geotermiche. Come spiega Sibani Lisa Biswal, professoressa di ingegneria chimica William M. McCardell e autrice della ricerca insieme a Wang,

“Questo reattore potrebbe rappresentare un importante passo avanti per rendere l’estrazione del litio più efficiente e meno dannosa per l’ambiente”.

Un’altra scoperta rilevante è quella che riguarda la stabilità del nuovo reattore nel tempo. Il team ha osservato che gli ioni di sodio, a differenza degli altri, tendevano ad accumularsi sulla superficie della membrana LICGC, ostacolando il trasporto del litio e aumentando il consumo energetico. Questo accumulo può influire sull’efficienza del processo, ma i ricercatori hanno già individuato delle strategie per la mitigazione del fenomeno, suggerendo alla ricerca futura soluzioni come il pretrattamento della salamoia o l’utilizzo di rivestimenti superficiali o pulsazioni di corrente per l’ulteriore ottimizzazione del reattore.

Lo studio segna un passo importante verso una fornitura costante di litio per le tecnologie delle energie rinnovabili, offrendo un metodo più pulito, più efficiente e potenzialmente anche più veloce per l’estrazione del litio dalle salamoie geotermiche. Come ha dichiarato Haotian Wang, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare alla Rice,

“Il nostro settore ha lottato a lungo contro le inefficienze e gli impatti ambientali dell’estrazione del litio. Questo reattore è una testimonianza del fatto che combinare la scienza fondamentale con l’ingegno ingegneristico può aiutarci a risolvere i problemi del mondo reale”.

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