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Le lithium est un élément essentiel des batteries qui alimentent les véhicules électriques, mais l’explosion de la demande de lithium devrait épuiser les réserves terrestres d’ici 2080. Les chercheurs de KAUST ont maintenant mis au point un système économiquement viable qui permet d’extraire du lithium très pur de l’eau de mer.

Du lithium produit par une cellule

Les océans contiennent environ 5 000 fois plus de lithium que la terre ferme, mais à des concentrations extrêmement faibles d’environ 0,2 partie par million (ppm). Les ions plus importants, notamment le sodium, le magnésium et le potassium, sont tous présents dans l’eau de mer à des concentrations beaucoup plus élevées ; cependant, les efforts de recherche antérieurs visant à extraire le lithium de ce mélange ont donné peu de résultats.
L’équipe de KAUST a résolu ce problème grâce à une cellule électrochimique contenant une membrane en céramique faite de lithium lanthane titane oxyde (LLTO). Sa structure cristalline contient des trous juste assez larges pour laisser passer les ions lithium tout en bloquant les ions métalliques plus importants. »Les membranes LLTO n’ont jamais été utilisées pour extraire et concentrer les ions lithium auparavant », explique le post-doc Zhen Li, qui a mis au point cette cellule.
« Les membranes LLTO n’ont jamais été utilisées pour extraire et concentrer les ions lithium auparavant », explique le post-doc Zhen Li, qui a mis au point cette cellule.
Cette cellule contient trois compartiments. L’eau de mer s’écoule dans une chambre d’alimentation centrale, où les ions lithium positifs passent à travers la membrane LLTO dans un compartiment latéral qui contient une solution tampon et une cathode de cuivre recouverte de platine et de ruthénium. Pendant ce temps, les ions négatifs quittent la chambre d’alimentation à travers une membrane échangeuse d’anions standard, passant dans un troisième compartiment contenant une solution de chlorure de sodium et une anode en platine-ruthénium.
Les chercheurs ont testé ce système en utilisant de l’eau de mer de la mer Rouge. À une tension de 3,25 V, la cellule génère de l’hydrogène gazeux à la cathode et du chlore gazeux à l’anode. Cela entraîne le transport du lithium à travers la membrane LLTO, où il s’accumule dans la chambre latérale.

Du phosphate de lithium solide

Cette eau enrichie en lithium devient alors la matière première de quatre autres cycles de traitement, pour atteindre finalement une concentration de plus de 9 000 ppm. En ajustant le pH de cette solution, on obtient du phosphate de lithium solide qui ne contient que des traces d’autres ions métalliques – une pureté suffisante pour répondre aux exigences des fabricants de batteries.
Les chercheurs estiment que cette cellule n’aurait besoin que de 5 dollars d’électricité pour extraire 1 kilogramme de lithium de l’eau de mer. La valeur de l’hydrogène et du chlore produits par cette cellule ferait plus que compenser ce coût, et l’eau de mer résiduelle pourrait également être utilisée dans des usines de dessalement pour fournir de l’eau douce.
« Nous allons continuer à optimiser la structure de la membrane et la conception de la cellule pour améliorer l’efficacité du processus », déclare le chef de groupe Zhiping Lai. Son équipe espère également collaborer avec l’industrie du verre pour produire la membrane LLTO à grande échelle et à un coût abordable.
Cette recherche a été publiée dans Energy & Environmental Science.
Source : KAUST Discovery
photo Crédit : Pixabay

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