I ricercatori del MIT sviluppano una tecnica a basso costo per estrarre il litio dalle rocce

Oggi l'estrazione del litio dalle rocce dure è un processo ad alta intensità energetica e di rifiuti, spesso molto più costoso dell'estrazione del litio dall'acqua salina, che presenta anche notevoli svantaggi ambientali. Attualmente, l'estrazione del litio dalle rocce dure comporta la cottura della roccia a oltre 1.000 gradi Celsius e la lisciviazione chimica per estrarre il litio. Il resto della roccia viene scartato.

Ora, un team di ricercatori del MIT e di altri paesi ha sviluppato un processo a bassa temperatura per estrarre il litio per batterie dal tipo più comune di minerale contenente litio. Il processo utilizza un reagente liquido per dissolvere la roccia nelle forme utili dei suoi componenti: non solo i sali di litio pronti per la batteria, ma anche l'allumina e la silice pronta per il cemento. Una volta estratti i minerali, il solvente e il reagente possono essere recuperati e riutilizzati, in modo che i livelli di rifiuti si avvicinino a zero.

Secondo i ricercatori, il processo a ciclo chiuso costa la metà rispetto all'estrazione tradizionale di litio da rocce dure e potrebbe essere competitivo con l'estrazione del litio dall'acqua salina.

Un articolo che descrive il processo è stato pubblicato su Science. I ricercatori hanno già iniziato a commercializzare la tecnologia attraverso uno spinout del MIT, Rock Zero.

"Entro il 2040 dovremo quadruplicare la produzione di litio a livello globale, il che equivale a centinaia di nuovi impianti di produzione di litio", spiega l'autore Camden Hunt, ex project manager del Centro per l'elettrificazione e la decarbonizzazione dell'industria del MIT. "La roccia dura è abbondante, la si può trovare ovunque. Ma la maggior parte della raffinazione della roccia dura avviene in Cina. La nostra tesi centrale è che se si riesce a trovare un modo più semplice per spaccare la roccia, estrarre il litio e produrre sali di litio per batterie, si può cambiare il mercato del litio. Si allinea con la recente spinta alla produzione onshore di minerali critici negli Stati Uniti".

Al lavoro di Hunt hanno collaborato l'ex postdoc del MIT Benjamin Mowbray, la dottoranda Kalyn Fuelling, la studentessa del MIT Jacqueline Prawira, Khashayar Jafari, ex ricercatore senior dello spinout del MIT sul cemento verde Sublime Systems, e Yet-Ming Chiang, professore di scienza e ingegneria dei materiali del MIT.

Dai bagni alle batterie

La ricerca ha le sue radici nella ristrutturazione di un bagno. Circa 25 anni fa, mentre Chiang si recava in un negozio di ferramenta per cercare qualcosa che rendesse traslucidi i blocchi di vetro chiaro, si imbatté in una crema per incidere il vetro che funziona "mangiando" la superficie del vetro. L'ingrediente attivo si è rivelato essere il fluoruro di ammonio.

Più di recente, mentre Chiang stava studiando come scomporre chimicamente il più abbondante minerale contenente litio, lo spodumene, ha ripensato a quella crema mordenzante. Lo spodumene, come il vetro, è costituito principalmente da silice. I metodi convenzionali basati sulla chimica per estrarre i metalli dai minerali dissolvono di preferenza gli elementi più reattivi e lasciano dietro di sé un residuo arricchito di silice a causa della forza dei legami silicio-ossigeno. Progettando il loro processo in modo da utilizzare una miscela di acqua e fluoruro di ammonio, i ricercatori sono in grado di dissolvere prima la silice, invertendo il processo.

I ricercatori hanno dimostrato di poter sciogliere la roccia spodumene a temperatura ambiente, il che rappresenta un passo avanti rispetto ai processi tradizionali che richiedono un calore estremo. Ma si trattava solo del primo passo verso un sistema a ciclo chiuso in grado di produrre materiali utili.

"Sciogliere la silice è la parte più difficile dell'attività mineraria", spiega Mowbray. "La domanda successiva era: come possiamo applicarla a problemi di lavorazione dei minerali di grande impatto?".

Il minerale spodumene è composto principalmente da tre elementi: litio, alluminio e silice. Mowbray e Hunt, che hanno entrambi conseguito un dottorato di ricerca in chimica, hanno iniziato a esplorare i modi per raffinare questi componenti separatamente dopo che erano stati separati nella soluzione di fluoruro di ammonio.

Per prima cosa, i ricercatori hanno isolato il fluoruro di litio, un elemento utile per i comuni materiali elettrolitici utilizzati nelle batterie. Chiang, che ha fondato diverse aziende produttrici di batterie nel corso della sua decennale carriera al MIT, ha poi chiesto al team di ricerca se fosse possibile isolare l'idrossido di litio e il carbonato di litio, due sali di litio utili per la produzione dei catodi delle batterie. I ricercatori sono tornati in laboratorio e hanno scoperto di poterli produrre entrambi sviluppando nuovi processi, alcuni dei quali prevedevano l'aggiunta di anidride carbonica o carbonato di sodio. Chiang ha affidato al team di ricerca una sfida simile per la parte di alluminio della roccia, che è stata isolata con una tecnica di separazione ad alta temperatura, e per la silice, che è stata isolata per precipitazione.

"Il nostro obiettivo era innanzitutto quello di produrre questi prodotti, poi ci sono state ulteriori fasi per caratterizzarne la purezza e le proprietà e per assicurarci che i nostri prodotti rispondessero alle specifiche dei mercati di destinazione", spiega Mowbray. "Per i sali di litio, abbiamo identificato le specifiche di purezza per il carbonato di litio per batterie, il sale di litio più utilizzato. Per quanto riguarda la silice, volevamo che fosse utilizzata come additivo per il cemento, quindi abbiamo effettuato test di reattività del cemento e alla fine abbiamo creato cubetti di cemento da sottoporre a test di resistenza con metodi industriali. Per quanto riguarda l'alluminio, ci siamo concentrati sull'alluminio da fonderia. Se un qualsiasi prodotto non soddisfaceva le specifiche previste, ci si ritrovava con un flusso di rifiuti".

I ricercatori hanno quindi sviluppato un processo per riutilizzare il fluoruro di ammonio e l'acqua che avviano la reazione.

"Siamo in grado di sciogliere la roccia con lo spodumene e di liberare tutti gli elementi, compresi l'alluminio e il litio", spiega Chiang. "La silice si trova nella soluzione, ma durante il processo di produzione del fluoruro di ammonio si libera anche il gas ammoniaca. Se l'ammoniaca viene riapplicata, la silice precipita di nuovo. Questa sequenza ci restituisce il fluoruro di ammonio di partenza. Ecco perché si tratta di un processo circolare".

I ricercatori hanno lavorato con successo 17 diverse fonti di roccia spodumena, dimostrando la sua ampia applicabilità utilizzando rocce di tutto il mondo.

"Avete mai sentito parlare di mangiare da naso a coda?". Dice Chiang. Noi lo chiamiamo "nose-to-tail mining". I nostri ricercatori sono venuti al MIT per cercare problemi d'impatto su cui lavorare nel campo della sostenibilità. Con le loro competenze, si trattava solo di lasciarli liberi di lavorare su questo problema. Abbiamo affrontato tutte queste fasi e per ognuna di esse ho detto: "Puoi fare questa fase successiva?". E una o due settimane dopo mi dicevano: "Ok, abbiamo dimostrato di poterlo fare". È così che si è costruito l'intero processo".

Scalare il processo

Chiang ha sfidato il suo team di ricerca a valutare la fattibilità commerciale del nuovo sistema.

"Una volta messe a punto le operazioni principali, Chiang ci ha incoraggiato a fare un po' di calcoli", spiega Mowbray. "C'è abbastanza spodumene nel mondo per fornire 100 terrawattora di produzione di batterie? Il seguito è stato: Se si forniscono tutte le batterie del mondo con questo processo, quali sono i volumi dei co-prodotti? Corrispondono ai mercati globali delle materie prime? Poi abbiamo iniziato a considerare il costo dei reagenti, il costo dell'energia e delle attrezzature. Abbiamo iniziato a convincerci che questo processo avrebbe potuto avere un grande impatto".

Il lavoro ha un significato particolare per Mowbray, che è cresciuto in una storica città mineraria della Columbia Britannica rurale.

I ricercatori hanno collaborato con l'Ufficio licenze tecnologiche del MIT per creare la loro società, Rock Zero, che ora ha sede presso The Engine e sta sviluppando il sistema.

"Crediamo che questo approccio sia il modo più economico e a bassa energia per ottenere il litio non solo dalla roccia dura, ma anche nel periodo", afferma Chiang. "È questo che ci spinge a scalare il sistema. Permetterà la transizione energetica attraverso le batterie che utilizzano il litio". Questo era uno degli obiettivi del Climate Project del MIT: lavorare su progetti che, nel giro di pochi anni, potessero passare dal laboratorio alla commercializzazione e all'impatto".