Elettrolizzatur tal-Ilma Baħar b'ossidazzjoni Doppju mmexxi mill-fotovoltajku għall-Irkupru Sostenibbli tal-Lithium

Dan l-artikolu huwa dwar sistema elettrokimika ġdida ta '"ossidazzjoni doppja" ta' elettroliżi ta 'l-ilma baħar li tikseb irkupru sostenibbli tal-litju billi tgħaqqad l-ossidazzjoni ta' l-elettrodu u l-ossidazzjoni ta 'l-elettroliti. Ir-riċerka twettqet b'mod konġunt minn riċerkaturi mill-Università tan-Nofsinhar tax-Xjenza u t-Teknoloġija, l-Università Ċentrali tan-Nofsinhar, l-Università Politeknika Orjentali ta 'Ningbo, u l-Istitut tar-Riċerka dwar l-Enerġija ta' Shenzhen. Ippubblikat fil-Proċedimenti tal-Akkademja Nazzjonali tax-Xjenzi (PNAS), l-artikolu juri teknoloġija ta 'rkupru ta' enerġija baxxa u għolja li hija ta 'sinifikat kbir biex tiġi indirizzata d-domanda dejjem tikber għal-litju u titnaqqas il-marka tal-karbonju.

Bid-domanda dejjem tikber għall-litju f'apparat portabbli għall-ħażna tal-enerġija, metodi ta 'estrazzjoni tradizzjonali bħall-metallurġija termali u l-idrometallurġija ġew taħt skrutinju dejjem akbar għall-impronta ambjentali tagħhom u l-emissjonijiet kbar ta' CO2.

Dawn il-metodi mhux biss huma intensivi fl-enerġija iżda jużaw ukoll kimiċi perikolużi, li jqajmu tħassib dwar is-sostenibbiltà u t-tnaqqis tar-riżorsi. L-Aġenzija Internazzjonali tal-Enerġija (IEA) tbassar li l-minjieri eżistenti se jkunu jistgħu jissodisfaw biss nofs id-domanda tal-industrija tal-litju sal-2030, u tenfasizza l-urġenza li jinstabu mogħdijiet ta 'rkupru tal-litju aktar nodfa u aktar effiċjenti.

Ir-riċerkaturi pproponew sistema elettrokimika ta 'elettroliżi tal-ilma baħar ta' "ossidazzjoni doppja" li tikseb marka baxxa tal-karbonju u rata għolja ta 'rkupru tal-litju billi tgħaqqad l-ossidazzjoni tal-elettrodu u l-ossidazzjoni tal-elettroliti. Huma wrew l-irkupru tal-litju minn materjali tal-katodu LiFePO4 mormija b'rata ta 'rkupru ta' 98.96% u purità tal-prodott ta '99.60%.

Permezz ta 'studji fil-fond tal-mekkaniżmu, instab li l-ossidazzjoni tal-elettrodu mmexxija mill-kamp elettriku u l-elettrolit ossidattiv iġġenerat fil-post ippromwovew b'mod sinerġiku l-lissija tal-jonji tal-litju permezz tal-effetti sinerġistiċi tal-ossidazzjoni tal-element tal-qafas strutturali u l-qsim tal-korrużjoni tal-partiċelli.

Dan il-mekkaniżmu ta 'ossidazzjoni doppja jippromwovi estrazzjoni tal-litju veloċi u effiċjenti, għandu universalità wiesgħa, u jipprovdi benefiċċji ekonomiċi u ambjentali sinifikanti.

Ir-riżultati sperimentali juru li dan il-mekkaniżmu ta 'ossidazzjoni doppja juri kinetika aktar mgħaġġla u effiċjenza ogħla ta' lissija tal-litju f'elettroliti differenti meta mqabbla ma 'metodi tradizzjonali ta' lissija tal-litju elettrokimiku.

B'mod partikolari, fl-elettrolit NaCl, l-effiċjenza tal-lissija tal-litju laħqet 88.7% fi żmien 40 minuta, li hija ħafna ogħla minn dik tal-elettroliti Na2SO4 u NaNO3.

Barra minn hekk, l-esperiment sab ukoll li biż-żieda tal-konċentrazzjoni ta 'Cl⁻, il-kinetika tal-lissija tal-litju aċċellerata, li tindika li l-ispeċi tal-klorin attivi ġġenerati mill-ossidazzjoni elettrokatalitika jistgħu jippromwovu l-qsim tal-partiċelli LiFePO4, u b'hekk itejbu l-kinetika tal-lissija ta' Li⁺.

Ir-riċerkaturi studjaw ukoll l-evoluzzjoni strutturali fil-livell atomiku tal-elettrodu waqt il-lissija tal-litju permezz ta’ tekniki bħal diffrazzjoni tar-raġġi-X tat-trab in situ (XRD), mikroskopija elettronika ta’ trażmissjoni in situ (TEM), spettroskopija ta’ telf ta’ enerġija elettronika (EELS) u X- spettroskopija tal-fotoelettroni tar-raġġi (XPS).

Dawn it-tekniki wrew l-evoluzzjoni dinamika tal-istruttura tal-kristall ta 'LiFePO4 matul il-proċess ta' ossidazzjoni doppja, li fiha Li⁺ esperjenza lissija parzjali u diżordni f'LiFePO4 u finalment ħarbet kompletament mill-kanal tal-qafas.

1. Universalità tal-mekkaniżmu ta 'ossidazzjoni doppja

Biex jevalwaw l-applikabbiltà usa' ta' dan il-mekkaniżmu, ir-riċerkaturi wettqu esperimenti ta' lissija fuq hosts differenti tal-litju f'elettrolit 0.50 M NaCl, inklużi skart ta' batteriji tal-jone tal-litju li fihom LiCoO2, LiMn2O4, Li (NixCoyMnz) O2 u li fihom il-litju spodumene minerali.

Ir-riżultati sperimentali juru li dan il-mekkaniżmu ta 'ossidazzjoni doppja juri effiċjenza tajba ta' lissija tal-litju f'dawn l-ospiti differenti tal-litju, li juri l-applikabilità wiesgħa tiegħu fl-irkupru sostenibbli tal-litju.

2. Sistema elettrokimika tal-elettroliżi tal-ilma baħar

Ir-riċerkaturi għaqqdu aktar dan il-mekkaniżmu ta 'ossidazzjoni doppja ma' pannelli fotovoltajċi biex imexxu l-lissija tal-litju mill-iskart LiFePO4. Bl-użu ta 'elettrolizzatur tal-ilma baħar imrattab b'ħafna kanali, huma wrew li s-sistema tista' tikseb effiċjenza ta 'lissija tal-litju ta' 94.87% fl-ewwel stadju f'konċentrazzjonijiet għoljin ta 'NaCl.

Fit-tieni stadju, l-elettrodi tħallew fl-elettrolit ossidanti ġġenerat fil-post għal 10 siegħa, u l-effiċjenza finali tal-lissija tal-litju setgħet titjieb aktar għal 98.96%. Is-sistema kollha teħtieġ biss konsum ta' enerġija ta' 0.054 kWh kg⁻¹ biex tirkupra 1.0 kg ta' skart LiFePO4, mingħajr l-użu ta' kimiċi perikolużi jew emissjonijiet ta' CO2.

3. Benefiċċji ambjentali u evalwazzjoni teknika u ekonomika

Ir-riċerkaturi wettqu benefiċċju ambjentali komprensiv u evalwazzjoni teknika u ekonomika ta 'din is-sistema ta' lissija b'ħafna kanali elettrokimiku u proċess ta 'rkupru.

Meta mqabbla ma 'metodi termometallurġiċi u idrometallurġiċi konvenzjonali, is-sistema toffri alternattiva aktar sigura u aktar favur l-ambjent billi tnaqqas il-konsum tal-enerġija u l-emissjonijiet tal-gassijiet serra filwaqt li żżid is-selettività tal-litju u r-rata ta' lissija.

Minn perspettiva tekno-ekonomika, ir-riċerkaturi rrevedew fid-dettall l-ispejjeż kollha assoċjati u l-flussi tad-dħul, inklużi l-ispejjeż tal-iskart tat-trab LiFePO4, il-konsum tal-enerġija, id-deprezzament tat-tagħmir, l-użu tar-reaġent kimiku, u d-dħul minn prodotti rkuprati.

L-analiżi wriet li l-ispiża totali tal-investiment tal-irkupru tal-litju minn 1.0 kg ta’ skart ta’ trab LiFePO4 kienet $2.86/kg, madankollu, id-dħul ta’ $4.27/kg ġie ġġenerat permezz tal-bejgħ ta’ Li2CO3 u FePO4 u tfaddil tal-elettriku, li jirriżulta fi profitt gross ta '$ 1.41/kg, li jenfasizza l-vijabbiltà ekonomika tal-litju b'żewġ ossidu proċess ta' lissija u rkupru.

Din is-sistema elettrokimika ta 'elettroliżi b'ossidu doppju tikseb irkupru rapidu u effiċjenti tal-litju minn firxa wiesgħa ta' matriċi solidi li jġorru l-litju bl-użu tal-ilma baħar. Karatterizzazzjoni fil-livell atomiku tiżvela l-mekkaniżmu ta 'azzjoni sinerġistika tal-kamp elettriku u ossidanti ġenerati in-situ. Dan il-mekkaniżmu ta 'ossidazzjoni doppja għandu potenzjal kbir għall-irkupru effiċjenti tal-litju minn diversi skart ta' batteriji u minerali tal-jone tal-litju, u l-iskalabbiltà tiegħu hija mistennija li tintuża ħafna fl-estrazzjoni ta 'metalli ewlenin oħra fil-futur, inkluża l-estrazzjoni ħadra ta' metalli ewlenin direttament minn minerali naturali u minjieri urbani oħra.

Dan il-metodu mmexxi mid-dawl li ma jagħmilx ħsara lill-ambjent mhux biss itejjeb is-sostenibbiltà ambjentali, iżda jtejjeb ukoll il-fattibilità ekonomika, u jnaqqas b'mod sinifikanti l-emissjonijiet tal-karbonju meta mqabbel mal-metodi tradizzjonali. B'mod aktar wiesa', din is-sistema twitti t-triq għal ċiklu tal-litju sostenibbli u b'ċirku magħluq li huwa newtrali għall-karbonju fiż-żoni kostali.