Científicos estadounidenses logran extraer litio con 99% de pureza mediante nuevo método electroquímico

El equipo de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME) descubrió que la intercalación electroquímica, una técnica común en el mundo de las baterías y supercondensadores, puede utilizarse para extraer litio, material crítico para baterías, según informó la institución.

La intercalación electroquímica ocurre cuando los investigadores aplican electricidad para insertar iones entre las capas de un material diferente, según explicaron los científicos. Usar esta técnica para extraer materiales del agua crea filtros de alimentación forzada, utilizando corrientes eléctricas para atraer iones de litio cargados a través de vías microscópicas.

Sin embargo, las vías que permiten el paso de iones de litio también admiten otros iones, incluido el sodio, que es mucho más común, según señalaron los investigadores. El trabajo revela que las vías de iones que permiten el paso del litio a través de material en capas —en esta investigación particular, óxido de cobalto— están gobernadas por el empuje y la atracción entre dos fuerzas.

"Nuestro objetivo es desarrollar materiales que puedan separar selectivamente el litio de otras sales", dijo Grant Hill, PhD'24, primer autor del artículo y ex estudiante de posgrado de UChicago PME. "Para esta clase de materiales, el principal competidor es el sodio, porque son químicamente muy similares en carga y tamaño", añadió.

Las baterías son los caballos de batalla de la transición global para abandonar los combustibles fósiles, pero los métodos utilizados para extraer el litio, material común en baterías, están lejos de ser ecológicos, según indicaron los investigadores. Requieren enormes cantidades de ácido para fundir mineral de espodumeno tostado o pozos de salmuera masivos para extraer millones de galones de agua salada de las profundidades de la tierra y dejarla secar al sol.

"Sabemos que hay dos reacciones paralelas que siempre ocurrirán al mismo tiempo", dijo Chong Liu, profesor asociado de UChicago PME y autor correspondiente del nuevo trabajo. "Una está impulsada por la carga, cuando se introduce corriente en el material. La otra es que, naturalmente, los materiales encontrarán el equilibrio", explicó.

Hill describió las vías de iones como una autopista rodeada de estacionamientos. "Cada ion de litio cuando comienza tiene muchos sitios abiertos junto a él, y cuando se introduce el sodio, termina apretando todos los sitios de litio uno al lado del otro", dijo Hill. "Para las áreas del material favorables al litio, ese estacionamiento está completamente lleno", añadió.

Superar este desafío requirió tanto optimizar el tamaño de partícula de los iones de litio como encontrar un equilibrio entre dos reacciones competidoras, según un comunicado de prensa. La primera de las dos reacciones es la intercalación en sí, causada por los investigadores al usar corriente para agregar iones entre las capas. Ese es el tráfico por la autopista. La segunda es el intercambio de iones a medida que los iones competidores de sodio y litio encuentran el equilibrio, la velocidad a la que los iones se introducen en el estacionamiento metafórico, según el comunicado.

El equilibrio ocurre a su propia velocidad, pero los investigadores pueden determinar qué tan rápido bombean los iones. Esto significa que pueden establecer la "velocidad" de la primera reacción en una de tres opciones: más rápida, más lenta o igual que la velocidad de la segunda reacción, según el comunicado.

"Descubrimos que los tres regímenes se comportan de manera muy diferente, y solo cuando permites suficiente tiempo para que el intercambio de iones se ponga al día con la intercalación, entonces podemos tener esta respuesta del material muy reversible", dijo Liu.

Los investigadores revelaron que insertar lentamente los iones y encontrar el tamaño de partícula ideal permitió esta reversibilidad, según informaron.

El avance representa tanto un progreso en ciencia pura como una vía para desarrollar nuevas técnicas de extracción en el mundo real, según los investigadores. El trabajo fue publicado por el equipo de la Universidad de Chicago y marca un paso significativo en la búsqueda de métodos más eficientes y selectivos para la extracción de litio.

La investigación cobra particular relevancia en el contexto de la creciente demanda global de baterías para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable, donde el litio es un componente esencial. Los métodos actuales de extracción, además de ser ambientalmente problemáticos, enfrentan desafíos de eficiencia debido a la presencia de otros elementos químicamente similares como el sodio en las fuentes naturales de litio.

El desarrollo de materiales que puedan separar selectivamente el litio de otras sales representa un avance crucial para la industria de las baterías y para la transición energética global, según indicaron los investigadores involucrados en el proyecto.