Ученые из Нанкинского университета разработали энергоэффективную электрохимическую установку, которая позволяет извлекать литий прямо из морской воды. При этом система одновременно производит водород и накапливает часть затраченной энергии, за счет чего работает более эффективно. Такая технология открывает возможность использовать океан как практически неисчерпаемый источник лития — ключевого сырья для аккумуляторов электромобилей и систем хранения энергии.
Хотя в мировом океане содержится около 230 млрд тонн лития, его концентрация в воде крайне мала — около 0,17 мг на литр. Кроме того, он «растворен» среди большого количества других ионов — натрия, калия, магния и кальция, что сильно затрудняет его извлечение. Особенно трудно отделить литий от магния: его в воде в тысячи раз больше, а по свойствам он очень похож на литий.
Существующие методы извлечения лития требуют больших затрат энергии на перенос ионов через специальные мембраны. При этом значительная часть энергии уходит на побочные процессы, прежде всего, на электролиз воды с выделением кислорода и хлора, которые не имеют большой ценности. Китайские исследователи же предложили изменить этот подход: не терять энергию, а накапливать ее прямо в системе. Для этого они использовали специальный электрод, способный запасать энергию в химической форме. В результате процесс извлечения лития совместили с функцией накопления энергии.
Созданная ими установка состоит из двух камер с морской водой, разделенных керамической мембраной на основе литий-алюминий-германий-фосфата (LAGP), которая пропускает в основном ионы лития. В одной камере используется электрод из гидроксида никеля, в другой — катализатор на основе соединений никеля и молибдена. Когда подается напряжение, ионы лития переходят через мембрану в приемный раствор, а на катоде выделяется водород. При этом катализатор снижает энергетические потери процесса. Одновременно на другом электроде накапливается энергия.
После завершения цикла эту энергию можно вернуть: система работает как небольшая батарея с участием цинка и никеля. В итоге лишь около трети энергии идет непосредственно на извлечение лития, а остальная часть сохраняется в виде водорода и в самом электроде. При этом на каждый грамм лития образуется около 807 мл водорода, а чистое энергопотребление составляет около 6,40 Вт·ч на грамм.
Эксперименты показали высокую эффективность подхода. За 48 часов концентрация лития в растворе выросла с 0,183 мг/л до 306,2 мг/л, а соотношение магния к литию снизилось с 6615 до 4,9×10⁻⁴, то есть в 13–14 миллионов раз. Это происходило в том числе за счет повышения щелочности среды: магний и кальций превращались в нерастворимые соединения и выпадали в осадок без добавления реагентов. В результате из полученного раствора удалось получить карбонат лития высокой чистоты — 99,6%, что соответствует требованиям аккумуляторной промышленности.
Высокая эффективность объясняется сочетанием нескольких факторов. Мембрана хорошо «пропускает» именно литий, катализатор снижает энергозатраты на выделение водорода, а сам процесс по мере работы становится более эффективным: растет щелочность, быстрее удаляются мешающие ионы — и раствор очищается.
Важным преимуществом стала и технологическая гибкость. Установка состоит из отдельных блоков, которые можно объединять и тем самым увеличивать производительность. Кроме того, дорогую мембрану LAGP можно заменить более дешевым аналогом — литий-алюминий-титан-силиций-фосфатом (LATSP). В экспериментах с ним были получены сопоставимые результаты: концентрация лития достигала 301,8 мг/л при аналогичном снижении содержания магния.
При этом технология пока находится на лабораторной стадии. Производительность установки остается относительно небольшой — около 0,97 г. лития на квадратный метр мембраны в час, поэтому для промышленного применения ее еще предстоит масштабировать. Тем не менее работа показывает главное: литий из морской воды можно извлекать с умеренными затратами энергии, одновременно получая водород и другие полезные продукты. С учетом того, что к 2050 году спрос на литий может вырасти в 8–10 раз, такие решения выглядят перспективным направлением для энергетики будущего.
