Исследовательская группа из Массачусетского технологического института (MIT) в США недавно объявила о новом процессе, который, как ожидается, позволит значительно снизить энергопотребление и стоимость извлечения лития из твердых пород. Считается, что это может изменить экономический баланс аккумуляторов электромобилей. Соответствующее исследование, опубликованное в журнале Science, посвящено тому, как снизить энергопотребление и выбросы отходов при переработке литийсодержащих руд твердых пород.
В настоящее время основная причина, по которой литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке аккумуляторов, заключается в том, что их цепочка поставок является крупномасштабной, а система зрелой, формирующей высокоэффективную глобальную сеть поставок лития, что затрудняет конкуренцию альтернативным технологиям по стоимости. Однако это преимущество во многом зависит от стабильных поставок дешевых литиевых ресурсов, а текущие недорогие литиевые ресурсы в основном поступают из месторождений рассола соленых озер, сосредоточенных в Южной Америке. Хотя литий не является дефицитным с точки зрения обилия в земной коре, высококачественных рудных источников, которые легко добывать и которые недороги, не так много.
На этом фоне люди продолжают уделять внимание литийсодержащему минералу под названием сподумен, который является самым распространенным в мире ресурсом лития в твердых породах. Однако традиционная технология переработки сподумена дорогая: руду необходимо нагреть примерно до 1000 градусов по Цельсию, а затем выщелачивать серной кислотой для извлечения лития. Хотя этот процесс является зрелым и надежным, он сопровождается огромными энергозатратами и приводит к образованию большого количества серосодержащих отходов.
Новый подход, предложенный Массачусетским технологическим институтом и его сотрудниками, идет по совершенно иному пути. Вместо того, чтобы начинать с высокотемпературного обжига, в процессе используется раствор фторида аммония, нагретый примерно до 70 градусов по Цельсию, чтобы разрушить минеральную структуру. В этом процессе руда разделяется на три материальных потока: литий, кремний и алюминий: литий растворяется в растворе в виде фторида лития, кремний образует растворимое соединение, а алюминий превращается в твердый промежуточный продукт для облегчения переработки.
На последующих этапах обработка алюминия является наиболее энергоемким звеном процесса, требующим поэтапного нагрева сначала примерно до 300 градусов Цельсия, а затем примерно до 700 градусов Цельсия, чтобы в конечном итоге получить глинозем чистотой более 98%. Для сравнения, обработка кремния относительно проста: при добавлении аммиака соединения кремния в растворе превращаются в осадки кремнезема, которые легко отделить. Исследовательская группа отметила, что эти кремнеземы можно использовать в качестве добавок к бетону, что потенциально поможет частично компенсировать затраты на обработку.
Литий всегда остается в растворе в виде фторида лития. В этой форме его можно непосредственно использовать в качестве предшественника электролитного материала гексафторфосфата лития или его можно дополнительно преобразовать в нитрат лития, а затем превратить в оксид лития для использования в традиционном процессе производства аккумуляторных материалов. Это обеспечивает множество вариантов подключения нового процесса к существующей цепочке производства литиевых батарей.
Главной особенностью нового процесса является «замкнутое» управление собственной реакционной системой. В ходе многостадийного процесса реакции будут образовываться такие вещества, как аммиак и фтороводород; вместо того, чтобы обращаться с ними как с отходами, исследовательская группа разработала линию переработки, позволяющую повторно синтезировать их во фторид аммония для повторного участия в предварительной переработке. Такая конструкция с замкнутым контуром помогает снизить потери реагентов и выбросы отходов, но также означает, что требуется строгий контроль безопасности при использовании высококоррозионного и токсичного фтористого водорода.
С экономической точки зрения расчеты, проведенные исследовательской группой, показывают, что стоимость традиционной переработки сподумена составляет чуть менее 9000 долларов США за тонну лития, в то время как новый процесс, как ожидается, снизит стоимость до более чем 5000 долларов США за тонну, что примерно близко к уровню затрат на извлечение лития из высококачественных рассолов. Если побочные продукты алюминия и кремния смогут успешно выйти на рынок и монетизироваться, появятся возможности для дальнейшего снижения общих затрат.
Однако исследователи также подчеркнули, что между лабораторными измерениями и реальными производственными операциями все еще существует множество неопределенностей. Фактические затраты будут зависеть от таких факторов, как качество руды, колебания рыночных цен и капитальные вложения, необходимые для строительства или модификации производственных мощностей для нового процесса. Несмотря на это, данная работа до сих пор рассматривается как новая идея в вопросе поставок лития. Он не только фокусируется на географических источниках литиевых ресурсов, но также пытается оптимизировать модели использования энергии и восстановления ресурсов, начиная с самого процесса добычи.