Investigadores do MIT desenvolvem uma técnica de baixo custo para extrair lítio das rochas

Atualmente, a extração de lítio de rochas duras é um processo que consome muita energia e resíduos e que é frequentemente muito mais caro do que obter lítio a partir de água salgada, o que também tem grandes desvantagens ambientais. Atualmente, a extração de lítio de rocha dura envolve a cozedura da rocha a mais de 1.000 graus Celsius e a sua lixiviação química para extrair o lítio. O resto da rocha é descartado.

Agora, uma equipa de investigadores do MIT e de outras instituições desenvolveu um processo a baixa temperatura para extrair lítio para baterias do tipo mais comum de mineral que contém lítio. O processo utiliza um reagente líquido para dissolver a rocha nas formas úteis das suas partes constituintes: não só sais de lítio prontos para baterias, mas também alumina para fundição e sílica para cimento. Após a extração dos minerais, o solvente e o reagente podem ser recuperados e utilizados novamente, pelo que os níveis de resíduos se aproximam de zero.

Os investigadores estimam que o processo de ciclo fechado custa metade do custo da extração tradicional de lítio de rocha dura e pode torná-lo competitivo em termos de custos com a extração de lítio da água salgada.

Um artigo que descreve o processo foi publicado na revista Science. Os investigadores já começaram a comercializar a tecnologia através de um spinout do MIT, Rock Zero.

"Até 2040, precisamos de quadruplicar a produção de lítio a nível mundial, o que equivale a centenas de novos activos de produção de lítio", afirma o autor Camden Hunt, antigo gestor de projectos do Centro de Eletrificação e Descarbonização da Indústria do MIT. "As rochas duras são abundantes; podem ser encontradas em todo o lado. Mas a maior parte da refinação de rocha dura é feita na China. A nossa tese central é que se conseguirmos encontrar uma forma mais fácil de quebrar a rocha, retirar o lítio e produzir sais de lítio para baterias, podemos mudar o mercado do lítio. Isto alinha-se com o recente impulso para a produção em terra de minerais críticos nos EUA".

Juntamente com Hunt no artigo estão o antigo pós-doutorado do MIT Benjamin Mowbray; a candidata a doutoramento Kalyn Fuelling; a estudante do MIT Jacqueline Prawira; Khashayar Jafari, um antigo cientista de investigação sénior no spinout de cimento verde do MIT Sublime Systems; e Yet-Ming Chiang, Professor Kyocera de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.

Das casas de banho às baterias

A investigação tem as suas raízes na renovação de uma casa de banho. Há cerca de 25 anos, quando Chiang ia a uma loja de ferragens à procura de algo que tornasse translúcidos os blocos de vidro transparente, deparou-se com um creme de gravação de vidro que funciona "comendo" a superfície do vidro. O ingrediente ativo acabou por ser o fluoreto de amónio.

Mais recentemente, quando Chiang estava a pensar em formas de quebrar quimicamente o mineral mais abundante que contém lítio, o espoduménio, lembrou-se do creme de gravação. O espoduménio, tal como o vidro, é constituído maioritariamente por sílica. Os métodos químicos convencionais para extrair metais de minérios dissolvem preferencialmente elementos mais reactivos e deixam para trás um resíduo rico em sílica devido à força das ligações silício-oxigénio. Ao conceberem o seu processo para utilizar uma mistura de água e fluoreto de amónio, os investigadores conseguem dissolver primeiro a sílica, invertendo o processo.

Os investigadores mostraram que podiam dissolver a rocha de espodumena à temperatura ambiente, o que representou um avanço em relação aos processos tradicionais que requerem calor extremo. Mas era ainda apenas o primeiro passo para um sistema de ciclo fechado que produzisse materiais úteis.

"Dissolver a sílica é a parte mais difícil na mineração", diz Mowbray. "A questão seguinte era como aplicá-la a problemas de processamento de minerais com impacto?"

O mineral espoduménio é composto principalmente por três elementos: lítio, alumínio e sílica. Mowbray e Hunt, ambos doutorados em química, começaram a explorar formas de refinar esses componentes separadamente, depois de terem sido quebrados na solução de fluoreto de amónio.

Em primeiro lugar, os investigadores isolaram o fluoreto de lítio, um elemento útil para os materiais electrolíticos comuns utilizados nas baterias. Chiang, que fundou várias empresas de baterias ao longo da sua carreira de várias décadas no MIT, perguntou em seguida à equipa de investigação se podiam isolar o hidróxido de lítio e o carbonato de lítio, dois sais de lítio úteis para fabricar cátodos de baterias. Os investigadores voltaram ao laboratório e descobriram que podiam produzir ambos através do desenvolvimento de novos processos, alguns dos quais envolviam a adição de dióxido de carbono ou carbonato de sódio. Chiang colocou à equipa de investigação um desafio semelhante para a parte de alumínio da rocha, que foi isolada utilizando uma técnica de separação a alta temperatura, e depois a sílica, que foi isolada por precipitação.

"Primeiro, o nosso objetivo era produzir estes produtos, depois houve passos adicionais para caraterizar a sua pureza e propriedades e garantir que os nossos produtos cumpriam as especificações dos mercados-alvo", explica Mowbray. "Para os sais de lítio, identificámos as especificações de pureza para o carbonato de lítio de grau de bateria, o sal de lítio mais utilizado. Para a sílica, queríamos que fosse utilizada como aditivo para cimento, pelo que efectuámos testes de reatividade do cimento e acabámos por criar cubos de cimento para testes de resistência utilizando métodos industriais. Relativamente ao alumínio, o nosso objetivo era o alumínio de qualidade para fundição. Se algum produto não cumprisse as especificações pretendidas, acabávamos por ter um fluxo de resíduos".

Os investigadores desenvolveram então um processo para reutilizar o fluoreto de amónio e a água que inicia a reação.

"Conseguimos dissolver a rocha com o espoduménio, o que liberta todos os elementos, incluindo o alumínio e o lítio", afirma Chiang. "A sílica está na solução, mas no processo de produção do fluoreto de amónio, o gás amoníaco também se liberta. Se esse gás de amoníaco for novamente aplicado, precipita novamente a sílica. Esta sequência devolve-nos o fluoreto de amónio inicial. É por isso que se trata de um processo circular".

Os investigadores processaram com sucesso 17 fontes diferentes de rocha de espodumena, mostrando a sua aplicabilidade generalizada em rochas de todo o mundo.

"Já ouviste falar de comer nariz com cauda?" diz Chiang. "Nós referimo-nos a isto como mineração nariz-cauda. Os nossos investigadores vieram para o MIT à procura de problemas com impacto para trabalhar em sustentabilidade. Com as suas competências, foi apenas uma questão de os pôr a trabalhar neste problema. Passámos por todas estas etapas e, para cada uma delas, eu dizia apenas: "Consegues fazer esta etapa seguinte? E uma ou duas semanas depois eles diziam: "Pronto, já mostrámos que somos capazes de fazer isso". Foi assim que todo este processo foi construído".

Dimensionar o processo

Chiang desafiou ainda mais a sua equipa de investigação a avaliar a viabilidade comercial do seu novo sistema.

"Depois de termos estas operações centrais resolvidas, Yet encorajou-nos a fazer alguns cálculos", explica Mowbray. "Existe espodumena suficiente no mundo para fornecer 100 terrawatt-hora de produção de baterias? A resposta foi: Se fornecermos todas as baterias do mundo com este processo, quais são os volumes dos co-produtos? Correspondem aos mercados globais de produtos de base? Depois começámos a analisar o custo dos reagentes, o custo da energia e do equipamento. Começámos a ficar convencidos de que isto poderia ter um grande impacto".

O trabalho tem um significado especial para Mowbray, que cresceu numa cidade mineira histórica na zona rural da Colúmbia Britânica.

Os investigadores trabalharam com o Gabinete de Licenciamento de Tecnologia do MIT para criar a sua empresa, a Rock Zero, que está agora localizada no The Engine e a expandir o sistema.

"Acreditamos que esta abordagem é a forma mais económica e com menor consumo de energia de extrair lítio não só de rochas duras, mas também do período", afirma Chiang. "É isso que nos motiva a aumentar a escala deste sistema. Isto irá permitir a transição energética através de baterias que utilizam lítio. Este era um dos objectivos do The Climate Project no MIT - trabalhar em projectos que, num curto espaço de tempo, pudessem passar do laboratório para a comercialização e para o impacto."