Révolutionner la production de lithium sur une chaîne
Lancement d'une startup
Composant essentiel des batteries au cœur des véhicules électriques et du stockage de l'énergie dans les réseaux, le lithium est la clé d'un avenir énergétique propre. Mais la production de ce métal blanc argenté s'accompagne de coûts environnementaux importants. L'un d'entre eux est l'étendue des terres et le temps nécessaires pour extraire le lithium de l'eau salée, les grandes exploitations pouvant atteindre des dizaines de kilomètres carrés et nécessitant souvent plus d'un an pour commencer la production.
Aujourd'hui, des chercheurs de Princeton ont mis au point une technique d'extraction qui réduit la superficie des terres et le temps nécessaire à la production de lithium. Les chercheurs affirment que leur système peut améliorer la production des installations de lithium existantes et débloquer des sources auparavant considérées comme trop petites ou trop diluées pour être intéressantes.
Le cœur de la technique, décrite le 7 septembre dans Nature Water, est un ensemble de fibres poreuses torsadées en cordes, que les chercheurs ont conçues pour avoir un cœur aimant l'eau et une surface repoussant l'eau. Lorsque les extrémités sont plongées dans une solution d'eau salée, l'eau remonte le long des cordes par capillarité - le même processus que celui utilisé par les arbres pour attirer l'eau des racines vers les feuilles. L'eau s'évapore rapidement de la surface de chaque corde, laissant derrière elle des ions de sel tels que le sodium et le lithium. À mesure que l'eau continue de s'évaporer, les sels deviennent de plus en plus concentrés et finissent par former des cristaux de chlorure de sodium et de chlorure de lithium sur les cordes, ce qui permet de les récolter facilement.
Outre la concentration des sels, la technique permet au lithium et au sodium de cristalliser à des endroits distincts le long de la corde, en raison de leurs propriétés physiques différentes. Le sodium, peu soluble, se cristallise dans la partie inférieure de la corde, tandis que les sels de lithium, très solubles, se cristallisent près du sommet. Cette séparation naturelle a permis à l'équipe de collecter le lithium et le sodium individuellement, ce qui nécessite généralement l'utilisation de produits chimiques supplémentaires.
"Nous avons cherché à exploiter les processus fondamentaux de l'évaporation et de la capillarité pour concentrer, séparer et récolter le lithium", explique Z. Jason Ren, professeur d'ingénierie civile et environnementale et du Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement à Princeton, et chef de l'équipe de recherche. "Nous n'avons pas besoin d'appliquer des produits chimiques supplémentaires, comme c'est le cas avec de nombreuses autres technologies d'extraction, et le processus permet d'économiser beaucoup d'eau par rapport aux approches d'évaporation traditionnelles."
L'offre limitée de lithium est un obstacle à la transition vers une société à faible émission de carbone, a ajouté M. Ren. "Notre approche est bon marché, facile à mettre en œuvre et nécessite très peu d'énergie. C'est une solution respectueuse de l'environnement à un défi énergétique crucial."
Un bassin d'évaporation sur une corde
L'extraction conventionnelle de saumure implique la construction d'une série d'immenses bassins d'évaporation pour concentrer le lithium contenu dans les marais salants, les lacs salés ou les nappes phréatiques. Le processus peut durer de plusieurs mois à quelques années. Les opérations ne sont commercialement viables que dans une poignée d'endroits dans le monde où les concentrations initiales de lithium sont suffisamment élevées, où les terres disponibles sont abondantes et où le climat aride permet de maximiser l'évaporation. Par exemple, il n'y a qu'une seule opération active d'extraction de lithium à partir de saumure aux États-Unis, située dans le Nevada et couvrant plus de 7 miles carrés.
La technique de la corde est beaucoup plus compacte et permet de commencer à produire du lithium beaucoup plus rapidement. Bien que les chercheurs préviennent que des travaux supplémentaires seront nécessaires pour faire passer leur technologie du laboratoire à l'échelle industrielle, ils estiment qu'elle peut réduire la superficie nécessaire de plus de 90 % par rapport aux opérations actuelles et accélérer le processus d'évaporation de plus de 20 fois par rapport aux bassins d'évaporation traditionnels, ce qui permettrait d'obtenir les premières récoltes de lithium en moins d'un mois.
Des opérations compactes, peu coûteuses et rapides pourraient élargir l'accès à de nouvelles sources de lithium, telles que les puits de pétrole et de gaz désaffectés et les saumures géothermiques, qui sont actuellement trop petites ou trop diluées pour l'extraction du lithium. Selon les chercheurs, le taux d'évaporation accéléré pourrait également permettre d'opérer dans des climats plus humides. Ils étudient même la possibilité d'extraire le lithium de l'eau de mer grâce à cette technologie.
"Notre processus revient à mettre un bassin d'évaporation sur un fil, ce qui nous permet d'obtenir des récoltes de lithium avec une empreinte spatiale considérablement réduite et un contrôle plus précis du processus", a déclaré Sunxiang (Sean) Zheng, coauteur de l'étude et ancien chercheur postdoctoral émérite du Centre Andlinger. "S'il est mis à l'échelle, nous pourrions ouvrir de nouvelles perspectives en matière d'extraction de lithium respectueuse de l'environnement.
Étant donné que les matériaux utilisés pour produire les cordes sont bon marché et que la technologie ne nécessite pas de traitement chimique pour fonctionner, les chercheurs ont déclaré qu'avec des améliorations supplémentaires, leur approche serait un candidat solide pour une adoption à grande échelle. Dans l'article, les chercheurs ont démontré l'extensibilité potentielle de leur approche en construisant un réseau de 100 cordes extrayant le lithium.
L'équipe de M. Ren est déjà en train de mettre au point une deuxième génération de la technique qui permettra une plus grande efficacité, un débit plus élevé et un meilleur contrôle du processus de cristallisation. Il attribue à l'initiative de catalyse de Princeton le soutien initial indispensable à la mise en place de collaborations de recherche créatives. En outre, son équipe a récemment reçu un prix NSF Partnerships for Innovation et un prix du Fonds d'accélération de la propriété intellectuelle de Princeton pour soutenir le processus de recherche et de développement, y compris les moyens de modifier l'approche pour extraire d'autres minéraux critiques en plus du lithium. Avec Kelsey Hatzell, professeur adjoint d'ingénierie mécanique et aérospatiale et du centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, Ren a également reçu un financement de démarrage du centre de Princeton pour les matériaux complexes afin de mieux comprendre le processus de cristallisation.
Zheng dirige le lancement d'une startup, PureLi Inc. pour entamer le processus d'affinage de la technologie et, à terme, l'introduire sur le marché. Zheng a été sélectionné comme l'un des quatre chercheurs de la cohorte inaugurale de START Entrepreneurs à Princeton, une bourse universitaire et un accélérateur de startups conçus pour favoriser l'entrepreneuriat inclusif.
"En tant que chercheur, vous savez de première main que de nombreuses nouvelles technologies sont trop coûteuses ou difficiles à mettre à l'échelle", a déclaré M. Zheng. "Mais nous sommes très enthousiastes à propos de celle-ci, et avec quelques améliorations supplémentaires de l'efficacité, nous pensons qu'elle a un potentiel incroyable pour avoir un impact réel sur le monde."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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