Nội dung bài viết
Nếu nó mở rộng quy mô, nó có thể giúp chúng ta đa dạng hóa nguồn nguyên tố quan trọng. Mặc dù chúng tôi sản xuất pin dựa trên nhiều loại hóa chất khác nhau nhưng chưa có gì đạt tới quy mô lớn mà chúng tôi có thể sản xuất pin lithium.
Quy mô đó khiến tính kinh tế của pin lithium-ion khó có đối thủ cạnh tranh. Ngay cả khi chúng tôi phát triển công nghệ pin vượt trội, vẫn chưa rõ liệu chúng tôi có thể giảm chi phí sản xuất đủ nhanh để cạnh tranh với hiệu quả của chuỗi cung ứng và sản xuất lithium hay không.
Một điều có thể thay đổi động lực là khủng hoảng nguồn cung. Trong khi lithium cực kỳ phổ biến, thì lithium có thể được khai thác một cách kinh tế lại là một vấn đề khác.
Chiết xuất nó từ nước muối là rẻ nhất và nước muối giàu lithium phần lớn chỉ giới hạn ở Nam Mỹ. Chúng tôi thu được một số lithium từ các nguồn khác, nhưng nó đắt hơn đáng kể.
Tuy nhiên, trong số báo Khoa học ngày nay, một nhóm nghiên cứu đã xác định được một phương pháp tiết kiệm năng lượng để chiết xuất lithium từ đá.
Quy trình họ thiết kế sử dụng ít năng lượng hơn nhiều so với quy trình hiện có, tái tạo tất cả các hóa chất ban đầu và tạo ra các sản phẩm phụ có thể bán được. Giống như các kim loại khác, lithium xuất hiện trong nhiều khoáng chất khác nhau.
Vì Ví dụ, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ gần đây đã kiểm kê tất cả các mỏ oxit lithium ở vùng Đông Bắc ( chúng rất rộng), được tìm thấy trong một loại đá gọi là pegmatit.
Tuy nhiên, trên toàn cầu, bài báo mới chỉ ra rằng quặng lithium dồi dào nhất được gọi là spodumene, một loại silicat lithium-nhôm (LiAl(SiO 3 ) 2). Và có một số quá trình xử lý vật liệu này đang diễn ra, nó tiêu tốn nhiều năng lượng và để lại rất nhiều chất thải.
Đó là vì quá trình này bắt đầu bằng cách nung khoáng chất này đến khoảng 1.000° C để phá vỡ cấu trúc đặc của nó, sau đó axit sulfuric được sử dụng để tách lithium.
Dung dịch lithium sunfat thu được sau đó được chuyển thành chất hữu ích cho sản xuất pin (điển hình là lithium cacbonat), để lại chất thải có chứa lưu huỳnh. Công việc mới được thực hiện nhờ sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu của MIT và một số công ty ở khu vực Boston.
Mục tiêu của họ là một quy trình tiết kiệm năng lượng hơn và không tạo ra nhiều chất thải.
Những gì họ nghĩ ra là một quy trình trong đó hóa chất chính được sử dụng khi bắt đầu quy trình sẽ được tái sinh ở bước sau, và cả silicon và nhôm trong khoáng chất đều kết thúc ở dạng mà chúng ta là đã sử dụng trong các ứng dụng thương mại.
Hóa chất chính trong quy trình này là amoni florua (NH 4 F). Có thể sử dụng muối trực tiếp ở dạng nóng chảy, nhưng đun nóng nó luôn dẫn đến sản xuất ra hydro florua, đây là chất cực kỳ nguy hiểm (mặc dù sau này họ sẽ sử dụng một ít).
Vì vậy, thay vào đó, họ sử dụng nó hòa tan trong nước, điều này rõ ràng đã ngăn cản những phản ứng này xảy ra. Trong quá trình này, đun nóng dung dịch đến khoảng 70° C sẽ tạo thành các ion NH 4 F 2, giải phóng khí amoniac được sử dụng sau này trong quy trình.
Ion này tặng flo cho lithium, để lại dung dịch lithium florua gốc nước. Silicon cũng tạo thành ion hòa tan, (NH 4 ) 2 SiF 6 ), trong khi nhôm tạo thành một ion tương tự tồn tại dưới dạng chất rắn, (NH 4 ) 3 AlF 6 ).
Mỗi trong số này được xử lý riêng biệt. Chúng ta sẽ bắt đầu với hóa học nhôm, đây là một trong những con đường đơn giản hơn.
Ban đầu, đun nóng (NH4) 3 AlF6 đến khoảng 300°C tạo ra nhôm triflorua và giải phóng amoniac và hydro florua. Sau đó, tăng nhiệt độ lên 700° C làm cho nhôm triflorua phản ứng với nước, để lại oxit nhôm và giải phóng thêm nhiều hyđro.
drogen florua. Một lần nữa, hydro florua là chất nguy hiểm và cần được xử lý cẩn thận.
Nhưng cũng dễ dàng phản ứng với amoniac (được tạo ra trong hai phản ứng khác nhau ở đây) và cải tạo amoni florua được sử dụng để bắt đầu toàn bộ quá trình. Vì vậy, ngoài những tổn thất nhỏ do kém hiệu quả, quy trình này còn tái tạo một trong những thành phần chính.
Trong khi đó, nhôm oxit là một trong những nguyên liệu ban đầu quan trọng để sản xuất kim loại nhôm và do đó có thể được đưa vào đó, vì độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng ở đây là trên 98%.
Ở đây chúng tôi chỉ lưu ý rằng đây có lẽ là khía cạnh tồi tệ nhất của toàn bộ quá trình, do yêu cầu năng lượng đối với nhiệt độ này và các hóa chất cực kỳ nguy hiểm có liên quan. Ngược lại, quá trình thanh lọc silicon chỉ là một cuộc dạo chơi trong công viên.
Chỉ cần thêm nhiều amoniac vào dung dịch sẽ khiến hóa chất ban đầu (NH 4 ) 2 SiF 6 ) phản ứng với nước, giải phóng silicon dioxide và amoni florua. Một lần nữa, dung dịch amoni florua là một trong những nguyên liệu ban đầu; silicon dioxide chỉ đơn giản là kết tủa ra khỏi dung dịch này.
Điều đó có nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng nhóm đã chứng minh rằng nó khá hiệu quả trong việc tăng cường sức mạnh. bê tông sau đó.
Tất cả những gì còn lại cho chúng ta là dung dịch lithium florua. Đó thực sự là một trong những nguyên liệu thô để sản xuất chất điện phân pin thông thường, LiPF 6.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn chỉ ra rằng bạn có thể phản ứng với axit nitric và (một lần nữa) giải phóng hydro florua, để lại lithium nitrat. Đun nóng nó và nó sẽ phân hủy thành oxit lithium, dễ dàng chuyển đổi thành các nguyên liệu thô khác của pin.
Mặc dù quy trình này loại bỏ nhiệt độ cao trong quá trình xử lý quặng chứa lithium ban đầu, nhưng có một số bước cần nhiệt độ cao hơn nữa trong các bước tiếp theo, cho cả lithium và các sản phẩm nhôm và silicon hữu ích.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã thực hiện đánh giá kinh tế đầy đủ về cách quy trình của họ phù hợp với những gì đã có trên thị trường. Quy trình hiện tại, bao gồm việc rang quặng/axit sunfuric, có giá chỉ dưới 9.000 USD cho mỗi tấn lithium có thể sử dụng được.
Ngược lại, họ ước tính rằng quy trình mới chỉ tốn hơn 5.000 USD/tấn một chút. Con số này gần tương đương với chi phí cách ly khỏi nước muối chất lượng cao.
Nếu các sản phẩm silicon và nhôm cũng có thể bán được thì giá thành của toàn bộ quy trình sẽ giảm hơn 1.000 USD, khiến nó có hiệu quả cao về mặt chi phí.
Tất nhiên, đi kèm với những con số đó là rất nhiều điều cần lưu ý: Giá cả thay đổi theo cung và cầu; không phải mọi nguồn spodumene đều tạo ra quặng có chất lượng tương đương; chuyển sang quy trình này có thể yêu cầu đầu tư vào thiết bị công nghiệp mới, v.v.
Vì vậy, thế giới thực chắc chắn sẽ phức tạp hơn những gì những tính toán này có thể gợi ý. Tuy nhiên, trong thế giới ngày càng phụ thuộc vào lithium của chúng ta, thật tuyệt khi có những lựa chọn thay thế trong trường hợp xảy ra tình trạng khủng hoảng nguồn cung nghiêm trọng.
Thêm vào đó, khá rõ ràng khi thấy rằng vẫn còn chỗ cho các nhà hóa học suy nghĩ lại về các quy trình công nghiệp lớn.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.