電気自動車の成長や、スマートフォンがより大容量のバッテリーを必要とする中、リチウムイオン電池の有望な代替は未だなく、リチウムの需要は増え続けているのが現状だ。だが、現在の抽出には岩石や塩水といった高濃度のリチウム源を必要とし、抽出自体にも莫大なエネルギーと環境へのリスクも伴う。
今回、シカゴ大学Pritzker School of Molecular Engineering（PME）の研究者らは、海水、地下水、フラッキングや海上掘削の副産物である「フローバックウォーター」など、これまでよりも希薄かつ広範囲にわたる供給源からリチウムを抽出する新しい方法を見出したことを報告している。
多くの国が自国でのリチウム供給が可能に
PMEの研究者らによって開発されたこの方法は、特定のリン酸鉄粒子が希薄な液体からリチウムを最も効率的に引き出す方法を利用した物だ。この新しい方法は、より迅速で環境に優しいリチウム抽出の時代を早めると期待されている。
「現在、リチウムの需要と生産の間にギャップがあります。我々の方法は、非常に希薄な液体から鉱物を効率的に抽出することを可能にし、リチウムの潜在的な供給源を大幅に広げることができるのです」と、分子工学のNeubauer Family助教授で研究の主執筆者であるChong Liu氏は述べている。
現在のリチウム抽出プロセスには大別して2つの種類がある。1つはリチウム岩石鉱を重機で砕いた後、酸で処理してリチウムを分離する方法。もう一つは、塩湖から汲み上げたリチウム含有水をプールに汲み上げ、1年以上かけて蒸発させてリチウムを抽出する方法だ。
「これらの方法は、そもそも環境に特に優しいわけではなく、リチウムの濃度が低い供給源を扱おうとすると、さらに効率が低下すします。塩水の濃度が10倍希薄になると、同じ量のリチウムを得るために10倍の塩水が必要になるのです」と、Liu氏は述べている。
Liu氏らが探求したリチウムが希薄な液体からリチウムを抽出する方法は、オリビンリン酸鉄の結晶格子を使用してリチウムの電気化学的特性に基づいて分離させるものだ。リチウムはそのサイズ、電荷、反応性により、スポンジの穴に水が吸い込まれるようにオリビンリン酸鉄の柱の空間に引き寄せられる。しかし、柱が完全に設計されている場合、塩水液に含まれるナトリウムイオンは除外されるか、はるかに低いレベルでリン酸鉄に入る。
研究者らは、オリビンリン酸鉄粒子の変動がリチウムをナトリウムより選択的に分離する能力にどのように影響するかをテストした。
「リン酸鉄を生成する際には、大きさや形状が非常に異なる粒子が得られます。最良の合成方法を見つけるためには、リチウムをナトリウムよりも効率的に選択する粒子がどれかを知る必要があるのです」と、博士課程の学生で第一著者のGangbin Yan氏は述べた。
この研究は、研究者たちが多様な方法を使用してオリビンリン酸鉄粒子を合成し、粒子サイズが20から6,000ナノメートルまでの範囲に及ぶことを詳述している。リン酸鉄粒子が大きすぎるか小さすぎる場合、彼らは、ナトリウムがその構造により多く取り込まれる傾向があることを発見した。これにより、リチウムの純度が低下したとのことだ。
「結局のところ、動力学と熱力学の両方がナトリウムよりもリチウムを優先する中間のスイートスポットがあることがわかりました」とLiu氏は述べている。
「スケールアップするための合成方法を選ぶ際には、この望ましい粒子サイズを念頭に置いておかなければなりません。しかし、これができれば、リチウム生産の環境への影響を減らし、この国でのリチウム供給を確保する方法を開発できると考えています」と、Liu氏は言う。
論文
- Nature Communications: Identifying critical features of iron phosphate particle for lithium preference
参考文献
- Pritzker School of Molecular Engineering: Research details method to get efficient, environmentally friendly lithium
研究の要旨
一次元(1D)オリビン型リン酸鉄(FePO4)は、希薄な水源からの電気化学的リチウム(Li)抽出に広く提案されているが、異なる物理的属性を持つ粒子ではLi選択性に大きなばらつきが観察された。粒子の特徴がLiとナトリウム（Na）の共挿入にどのように影響するかを理解することは、システム設計とLi選択性の向上にとって極めて重要である。ここでは、様々な特徴を持つ一連のFePO4粒子を調査し、選択性を促進するために、リチオ化とソディエーションの間の動力学的・化学機械的バリア差を利用することの重要性を明らかにした。FePO4の熱力学的嗜好性は選択性のベースラインを提供するが、粒子の特徴は異なる動力学的経路と障壁を誘導するために重要であり、その結果、6.2×102から2.3×104の異なるLi/Na選択性が得られた。重要なことは、リチウム化およびソディエーションによる相変化の違いからFePO4粒子を2つのグループに分類し、Li選択性、形態的特徴、電気化学的特性の定量的相関マップを作成したことである。特定の特徴を持つFePO4粒子を選択することにより、高Li源(1:100 Li to Na)から(96.6±0.2)%の純度で高速(636 mA/g)Li抽出を、低Li源(1:1000 Li to Na)から(95.8±0.3)%の純度で高選択性(2.3×104)Li抽出を1ステップで実証した。
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