Artikel ini membahas tentang sistem elektrolisis air laut "oksidasi ganda" elektrokimia baru yang mencapai pemulihan litium berkelanjutan dengan menggabungkan oksidasi elektroda dan oksidasi elektrolit. Penelitian tersebut dilakukan bersama oleh para peneliti dari Southern University of Science and Technology, Central South University, Ningbo Oriental Polytechnic University, dan Shenzhen Institute of Energy Research. Diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences (PNAS), artikel ini menunjukkan teknologi pemulihan litium tinggi dan berenergi rendah yang sangat penting untuk mengatasi meningkatnya permintaan litium dan mengurangi jejak karbon.
Latar Belakang dan Signifikansi Penelitian
Dengan meningkatnya permintaan lithium dalam perangkat penyimpanan energi portabel, metode ekstraksi tradisional seperti metalurgi termal dan hidrometalurgi semakin mendapat perhatian karena dampak lingkungan dan emisi CO2 yang besar.
Metode-metode ini tidak hanya boros energi tetapi juga menggunakan bahan-bahan kimia berbahaya, sehingga menimbulkan kekhawatiran mengenai keberlanjutan dan penipisan sumber daya. Badan Energi Internasional (IEA) memperkirakan bahwa tambang yang ada hanya akan mampu memenuhi setengah dari permintaan industri litium pada tahun 2030, hal ini menyoroti pentingnya menemukan jalur pemulihan litium yang lebih bersih dan efisien.
Isi dan metode penelitian
Para peneliti mengusulkan sistem elektrolisis air laut "oksidasi ganda" elektrokimia yang menghasilkan jejak karbon rendah dan tingkat pemulihan litium yang tinggi dengan menggabungkan oksidasi elektroda dan oksidasi elektrolit. Mereka mendemonstrasikan pemulihan litium dari bahan katoda LiFePO4 yang dibuang dengan tingkat pemulihan sebesar 98,96% dan kemurnian produk sebesar 99,60%.
Melalui studi mekanisme yang mendalam, ditemukan bahwa oksidasi elektroda yang digerakkan oleh medan listrik dan elektrolit oksidatif yang dihasilkan secara sinergis mendorong pencucian ion litium melalui efek sinergis dari oksidasi elemen kerangka struktural dan pemisahan korosi partikel.
Mekanisme oksidasi ganda ini mendorong ekstraksi litium yang cepat dan efisien, memiliki universalitas yang luas, dan memberikan manfaat ekonomi dan lingkungan yang signifikan.
Hasil percobaan dan pembahasan
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa mekanisme oksidasi ganda ini menunjukkan kinetika yang lebih cepat dan efisiensi pelindian litium yang lebih tinggi dalam elektrolit yang berbeda dibandingkan dengan metode pelindian litium elektrokimia tradisional.
Khususnya, dalam elektrolit NaCl, efisiensi pelindian litium mencapai 88,7% dalam waktu 40 menit, jauh lebih tinggi dibandingkan dengan elektrolit Na2SO4 dan NaNO3.
Selain itu, percobaan juga menemukan bahwa dengan peningkatan konsentrasi Cl⁻, kinetika pelindian litium semakin cepat, menunjukkan bahwa spesies klor aktif yang dihasilkan oleh oksidasi elektrokatalitik dapat mendorong pemisahan partikel LiFePO4, sehingga meningkatkan kinetika pelindian Li⁺.
Para peneliti juga mempelajari evolusi struktural tingkat atom dari elektroda selama pencucian litium dengan teknik seperti difraksi sinar-X bubuk in-situ (XRD), mikroskop elektron transmisi in-situ (TEM), spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS) dan X-ray. spektroskopi fotoelektron sinar (XPS).
Teknik-teknik ini mengungkapkan evolusi struktur kristal dinamis LiFePO4 selama proses oksidasi ganda, di mana Li⁺ mengalami pencucian sebagian dan gangguan pada LiFePO4 dan akhirnya keluar sepenuhnya dari saluran kerangka.
1. Universalitas mekanisme oksidasi ganda
Untuk mengevaluasi penerapan yang lebih luas dari mekanisme ini, para peneliti melakukan percobaan pelindian pada host litium yang berbeda dalam elektrolit NaCl 0.50 M, termasuk limbah baterai litium-ion yang mengandung LiCoO2, LiMn2O4, Li(NixCoyMnz)O2 dan yang mengandung litium mineral spodumene.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa mekanisme oksidasi ganda ini menunjukkan efisiensi pelindian litium yang baik pada inang litium yang berbeda, menunjukkan penerapannya yang luas dalam pemulihan litium yang berkelanjutan.
2. Sistem elektrolisis air laut elektrokimia
Para peneliti selanjutnya menggabungkan mekanisme oksidasi ganda ini dengan panel fotovoltaik untuk mendorong pencucian litium dari limbah LiFePO4. Dengan menggunakan elektroliser air laut yang dilunakkan multi-saluran, mereka menunjukkan bahwa sistem tersebut dapat mencapai efisiensi pencucian litium sebesar 94,87% pada tahap pertama pada konsentrasi NaCl yang tinggi.
Pada tahap kedua, elektroda dibiarkan dalam elektrolit pengoksidasi yang dihasilkan di tempat selama 10 jam, dan efisiensi pelindian litium akhir dapat ditingkatkan lebih lanjut hingga 98,96%. Keseluruhan sistem hanya memerlukan konsumsi energi sebesar 00,054 kWh kg⁻¹ untuk memulihkan 1,0 kg limbah LiFePO4, tanpa menggunakan bahan kimia berbahaya atau emisi CO2.
3. Manfaat lingkungan dan evaluasi teknis dan ekonomi
Para peneliti melakukan evaluasi manfaat lingkungan dan teknis dan ekonomi yang komprehensif dari sistem pelindian multi-saluran elektrokimia dan proses pemulihan ini.
Dibandingkan dengan metode termmetalurgi dan hidrometalurgi konvensional, sistem ini menawarkan alternatif yang lebih aman dan ramah lingkungan dengan mengurangi konsumsi energi dan emisi gas rumah kaca sekaligus meningkatkan selektivitas litium dan laju pencucian.
Dari perspektif tekno-ekonomi, para peneliti meninjau secara rinci seluruh biaya dan aliran pendapatan terkait, termasuk biaya limbah bubuk LiFePO4, konsumsi energi, penyusutan peralatan, penggunaan reagen kimia, dan pendapatan dari produk daur ulang.
Analisis menunjukkan bahwa total biaya investasi untuk memulihkan litium dari 1.0 kg limbah bubuk LiFePO4 adalah $2.86/kg, namun pendapatan sebesar $4.27/kg dihasilkan melalui penjualan Li2CO3 dan Penghematan FePO4 dan listrik, menghasilkan laba kotor sebesar $1,41/kg, menyoroti kelayakan ekonomi dari proses pelindian dan pemulihan litium oksida ganda.
Kesimpulan
Sistem elektrolisis oksida ganda elektrokimia ini menghasilkan pemulihan litium yang cepat dan efisien dari berbagai matriks padat yang mengandung litium menggunakan air laut. Karakterisasi tingkat atom mengungkapkan mekanisme aksi sinergis medan listrik dan oksidan yang dihasilkan di tempat. Mekanisme oksidasi ganda ini memiliki potensi besar untuk pemulihan litium secara efisien dari berbagai limbah baterai dan mineral litium-ion, dan skalabilitasnya diharapkan dapat digunakan secara luas dalam ekstraksi logam penting lainnya di masa depan, termasuk ekstraksi ramah lingkungan dari logam utama langsung dari mineral alami dan tambang perkotaan lainnya.
Metode berbasis cahaya yang ramah lingkungan ini tidak hanya meningkatkan kelestarian lingkungan, namun juga meningkatkan kelayakan ekonomi, mengurangi emisi karbon secara signifikan dibandingkan dengan metode tradisional. Secara lebih luas, sistem ini membuka jalan bagi siklus litium berkelanjutan yang bersifat loop tertutup dan netral karbon di wilayah pesisir.
