리튬 추출의 '게임 체인저': 연구자들이 새로운 전기화학 반응기를 개발하다

Lisa Biswal과 Haotian Wang이 이끄는 Rice University 연구진은 천연 염수 용액에서 리튬을 추출하는 혁신적인 전기화학 반응기를 개발하여 충전식 배터리에 사용되는 리튬에 대한 증가하는 수요를 해결하는 유망한 접근 방식을 제공했습니다. Proceedings of the National Academy of Sciences 에 게재된 이 획기적인 성과는 재생 에너지 저장 및 전기 자동차에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

리튬은 재생 에너지 저장 및 전기 자동차용 배터리의 중요한 구성 요소이지만, 기존 리튬 추출 방법은 높은 에너지 요구 사항과 리튬을 다른 원소에서 분리하는 어려움을 포함하여 수많은 어려움에 직면했습니다. 지열 환경에서 발견되는 염수인 천연 염수는 기존 광석 공급원을 채굴하는 것이 점점 더 어렵고 비용이 많이 들기 때문에 매력적인 리튬 공급원이 되었습니다. 그러나 이러한 염수에는 리튬과 매우 유사한 화학적 특성을 가진 나트륨, 칼륨, 마그네슘 및 칼슘과 같은 다른 이온도 포함되어 있어 효율적인 분리가 매우 어렵습니다. 리튬과 이러한 다른 이온 간의 이온 크기와 전하의 유사성으로 인해 기존 분리 기술은 종종 높은 선택성을 달성하는 데 어려움을 겪어 추가 에너지 소비와 화학적 폐기물로 이어집니다. 게다가 염수에는 고농도의 염화물 이온이 포함되어 있어 기존 전기화학 공정에서 위험한 염소 가스가 생성되어 추출 공정에 더 많은 복잡성과 안전 문제가 발생할 수 있습니다.

Rice 엔지니어링 팀은 염수에서 리튬을 추출하는 선택성과 효율성을 개선하는 새로운 3개 챔버 전기화학 반응기로 이러한 과제를 해결했습니다. 기존 방법과 달리 이 새로운 반응기는 상호 연결된 고속도로를 생각해 보세요. 염수가 통과할 때 이온 흐름을 제어하여 이러한 원치 않는 반응을 방지하는 다공성 고체 전해질이 들어 있는 중간 챔버를 도입합니다. 양이온 교환 막은 염화물 이온에 대한 장벽 역할을 하여 염소 가스를 생성하기 위해 결합할 수 있는 전극 영역에 도달하지 못하도록 하고, 그로 인해 위험한 부산물을 최소화합니다. 매우 선택적인 리튬 추출을 가능하게 하는 핵심 구성 요소는 전해조 반대편에 있는 특수 리튬 이온 전도성 유리 세라믹(LICGC) 막에 있으며, 이는 다른 이온을 차단하면서 리튬만 선택적으로 통과시킵니다. LICGC 막의 높은 이온 전도도와 선택성은 칼륨, 마그네슘, 칼슘과 같은 천연 염수에 존재하는 다른 이온의 간섭을 크게 줄여 효율성을 유지하는 데 중요합니다. LICGC 멤브레인은 일반적으로 고체 리튬 이온 배터리에 사용되지만, 리튬을 선택적으로 추출하는 이러한 응용 분야는 이 물질의 높은 이온 전도도와 선택성을 새롭고 효율적으로 활용한 사례입니다.

"저희의 접근 방식은 높은 리튬 순도를 달성할 뿐만 아니라 기존 추출 방법과 관련된 환경적 위험을 완화합니다." Biswal 연구실의 대학원생이자 첫 번째 저자인 Yuge Feng이 말했습니다. "저희가 만든 반응기는 부산물 형성을 최소화하고 리튬 선택성을 개선하도록 설계되었습니다."

반응기는 97.5%의 리튬 순도를 포함하여 인상적인 결과를 달성했습니다. 즉, 이 설정은 염수에서 리튬을 다른 이온과 효과적으로 분리할 수 있으며, 이는 배터리 제조에 중요한 재료인 고품질 수산화 리튬을 생산하는 데 필수적입니다. 또한, 새로운 반응기 설계는 염소 가스 생산을 크게 줄여 공정을 더 안전하고 환경 친화적으로 만들었습니다. 연구원들은 이것이 지열 염수와 같은 어려운 공급원에서 리튬을 추출하는 데 있어 게임 체인저가 될 가능성이 있다고 말했습니다.

"이 반응기는 리튬 추출을 보다 효율적이고 환경에 덜 해롭게 만드는 데 있어 중요한 진전을 나타낼 수 있습니다." 화학 공학과 William M. McCardell 교수이자 Wang과 공동 연락 저자인 Biswal이 말했습니다.

또 다른 주요 발견은 시간이 지남에 따라 반응기의 안정성에 대한 과제와 관련이 있습니다. 연구팀은 칼륨, 마그네슘 또는 칼슘과 달리 나트륨 이온이 LICGC 멤브레인 표면에 축적되는 경향이 있어 리튬 수송을 방해하고 에너지 소비를 증가시키는 것을 관찰했습니다. 이러한 축적은 리튬 추출의 효율성에 영향을 미칠 수 있지만, 연구자들은 전류 수준을 낮추는 것과 같이 이 문제를 완화하는 전략을 식별하고 향후 연구에서는 표면 코팅이나 전류 펄싱을 탐색하여 반응기를 더욱 최적화할 것을 제안했습니다.

이 연구는 지열 염수에서 리튬을 추출하는 더 깨끗하고 효율적이며 잠재적으로 더 빠른 방법을 제공함으로써 재생 에너지 기술을 위한 안정적인 리튬 공급을 보장하기 위한 중요한 단계를 나타냅니다.

"우리 분야는 리튬 추출의 비효율성과 환경적 영향으로 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다." 화학 및 생물 분자 공학과 조교수인 왕이 말했습니다. "이 반응기는 기본 과학과 공학적 독창성을 결합하여 현실 세계의 문제를 해결하는 힘의 증거입니다."

이 연구에 참여한 Rice의 화학 및 생물 분자 공학과 대학원생으로는 Feng, Yoon Park, Chang Qiu, Feng-Yang Chen, Peng Zhu, Quan Nguyen이 있습니다. 같은 학과의 박사후 연구원으로는 Shaoyun Hao, Zhiwei Fang, Xiao Zhang, Shoukun Zhang이 있습니다. Tanguy Terlier는 Rice의 Shared Equipment Authority 내 SIMS 연구실에서 표면 및 계면 특성화 책임자로 근무하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241113193032.htm