Investigadores de Rice desarrollan un método eficiente de extracción de litio, allanando el camino hacia cadenas de suministro sostenibles para baterías de vehículos eléctricos.
Las membranas de electrolito sólido revolucionan la obtención de litio con una selectividad casi perfecta
En la carrera por satisfacer la creciente demanda mundial de litio, un componente crítico en las baterías de vehículos eléctricos (VE), un equipo de investigadores del laboratorio de Elimelech en la Universidad de Rice ha desarrollado un novedoso método de extracción de litio que podría transformar la industria.
En su estudio publicado en Science Advances, los investigadores demostraron una selectividad casi perfecta para el litio al reutilizar electrolitos sólidos (SSEs, por sus siglas en inglés) como materiales de membrana para la extracción acuosa de litio. Aunque estos electrolitos fueron diseñados originalmente para la conducción rápida de iones de litio en baterías de estado sólido, donde no hay otros iones ni disolventes líquidos, su estructura altamente ordenada y confinada permitió una separación sin precedentes de los iones y el agua en mezclas acuosas.
Este descubrimiento representa un avance clave en la recuperación sostenible de recursos, reduciendo la dependencia de las técnicas tradicionales de minería y extracción, las cuales son altamente contaminantes y requieren grandes cantidades de agua y energía.
Un enfoque sostenible para la obtención de litio
Según Menachem Elimelech, profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de Rice y autor principal del estudio, el desafío no solo radica en aumentar la producción de litio, sino en hacerlo de manera sostenible y económicamente viable. Para lograrlo, los investigadores han estado explorando métodos de extracción directa de litio que recuperan este elemento de fuentes no convencionales, como el agua producida en la extracción de petróleo y gas, las aguas residuales industriales y las salmueras geotérmicas.
Sin embargo, estos métodos han enfrentado un problema común: la baja selectividad iónica, especialmente al intentar separar el litio de otros iones de tamaño y carga similares, como el magnesio y el sodio.
El potencial de los electrolitos sólidos en la extracción de litio
El enfoque desarrollado por Elimelech y su equipo se basa en una diferencia fundamental entre los SSEs y las membranas convencionales con nanoporos. Mientras que las membranas tradicionales dependen de poros hidratados a escala nanométrica para transportar iones, los SSEs transportan iones de litio mediante un mecanismo anhidro de salto iónico en una estructura cristalina altamente ordenada.
«Esto significa que los iones de litio pueden migrar a través de la membrana, mientras que otros iones competidores, e incluso el agua, quedan bloqueados«, explicó Sohum Patel, autor principal del estudio y actualmente investigador posdoctoral en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). «La extrema selectividad de nuestro enfoque basado en SSEs convierte a este método en una solución altamente eficiente para la extracción de litio, ya que la energía se destina únicamente al transporte de los iones de litio deseados«.
El equipo de investigación, que también incluye a Arpita Iddya, Weiyi Pan y Jianhao Qian, utilizó un sistema de electrodíalisis donde un campo eléctrico aplicado impulsó los iones de litio a través de la membrana. Los resultados fueron impactantes: incluso en soluciones con alta concentración de iones competidores, la membrana SSE demostró una selectividad casi perfecta, sin presencia detectable de iones competidores en el flujo de salida. Esto supone una ventaja significativa frente a las tecnologías de membrana convencionales, que han tenido dificultades para lograr esta eficiencia.
Implicaciones para la industria y el medio ambiente
La investigación también reveló por qué los SSEs presentan una selectividad tan notable. Su estructura cristalina altamente compacta y rígida impide el paso de moléculas de agua y iones más grandes, como el sodio. Asimismo, los iones de magnesio, que poseen una carga diferente a la del litio, no son compatibles con la estructura cristalina de los SSEs y, por lo tanto, son rechazados.
«La estructura cristalina actúa como un tamiz molecular, permitiendo el paso exclusivo de los iones de litio«, afirmó Elimelech. «Esta combinación de exclusión precisa por tamaño y carga es lo que hace que la membrana SSE sea tan especial«.
No obstante, los investigadores señalaron que, si bien los iones competidores no atraviesan la membrana, su presencia en la solución de alimentación reduce el flujo de litio al bloquear los sitios disponibles para el intercambio iónico. Este desafío podría resolverse mediante la ingeniería de materiales, permitiendo optimizar aún más el rendimiento de las membranas SSE en la extracción de litio.
Un futuro más verde para la producción de litio
Con la creciente escasez de litio, industrias como la automotriz, la electrónica y el sector de energías renovables buscan fuentes alternativas de suministro y métodos de extracción más sostenibles. Las membranas SSE podrían desempeñar un papel crucial en la garantía de un suministro estable de litio sin los impactos ambientales negativos asociados con la minería tradicional.
«Al integrar los SSEs en sistemas de electrodíalisis, podríamos permitir la extracción directa de litio desde diversas fuentes acuosas, reduciendo la necesidad de grandes piscinas de evaporación y procesos de purificación intensivos en químicos«, agregó Patel. «Esto podría disminuir significativamente la huella ambiental de la producción de litio y hacer el proceso más eficiente«.
Además, los hallazgos sugieren que los SSEs podrían aplicarse a la extracción de otros elementos críticos a partir de fuentes acuosas, abriendo la puerta a una nueva generación de materiales de membrana para la recuperación de recursos.
Vía rice.edu
Más información: Approaching infinite selectivity in membrane-based aqueous lithium extraction via solid-state ion transport.
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