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Cuando la gente piensa en química, la imagen que normalmente les viene a la mente es una variedad de líquidos de colores en vasos de precipitados, matraces y tubos de ensayo en un laboratorio. Pero en la práctica real, la química puede involucrar materiales en todos los estados: líquidos, gases e incluso sólidos.

Los científicos del Centro de Innovación de Materiales Críticos (CMI), dirigido por el Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU., están utilizando una subdisciplina de la química llamada mecanoquímica que literalmente revoluciona la comprensión convencional de las reacciones químicas, utilizando fuerzas mecánicas que agitan, dan vueltas y aplastar sólidos para iniciar reacciones químicas. Su nuevo proceso, la extracción mecanoquímica de litio a bajas temperaturas, o MELLT, es una solución creativa para aumentar y diversificar el suministro de litio en Estados Unidos.

El litio es un elemento de alta demanda con un riesgo asociado en la cadena de suministro. Es necesario para baterías recargables de alto rendimiento. baterías Se encuentran en tecnologías como teléfonos móviles, dispositivos médicos y vehículos eléctricos, por nombrar algunos. A medida que los vehículos eléctricos se vuelven más populares, aumenta la demanda de litio. El elemento litio (Li) necesario para fabricar estos baterías Proviene de dos fuentes: salmueras y minerales de roca dura. Las salmueras de litio son depósitos de agua subterránea salada que han acumulado litio disuelto. El principal mineral de roca dura que contiene litio se llama espodumeno. Ambas fuentes requieren diferentes métodos de extracción.

Ihor Hlova, científico de CMI y Ames Lab y líder del grupo del proyecto, explicó que extraer litio de las salmueras es un proceso rentable que se basa en la evaporación solar. Básicamente, los pozos poco profundos llenos de salmuera se exponen continuamente al aire libre para permitir que el agua se evapore. Es la principal fuente de litio tanto importado como nacional en los Estados Unidos.

El método actual para extraer litio del mineral de roca dura espodumena consume mucha energía y produce gases de efecto invernadero y flujos de desechos peligrosos. En este proceso, el mineral se calienta dos veces. La primera vez se tuesta a 1050°C (1976°F) para convertirlo a un estado más adecuado para el procesamiento químico. En la segunda ronda, el mineral se cuece a unos 250°C (485°F) junto con productos químicos para formar un compuesto de litio soluble en agua. El producto de litio resultante es de mayor calidad que el litio extraído de salmueras.

Ambos métodos presentan desafíos en un mercado de alta demanda de litio; Las salmueras tardan demasiado en producirse (entre 12 y 24 meses) y la extracción de minerales de roca dura utiliza demasiada energía. Además, las salmueras requieren grandes cantidades de agua dulce en varias etapas de procesamiento, mientras que la extracción directa de minerales produce subproductos tóxicos.

Para evitar estos inconvenientes y crear un proceso más eficiente, el grupo de Hlova utilizó la mecanoquímica.

"La mecanoquímica es una técnica infrautilizada en las metodologías de extracción", dijo Tyler Del Rose, investigador postdoctoral en Ames Lab y miembro del equipo de investigación. "Por lo general, se utiliza para triturar el material inicial o mezclar los reactivos, pero en raras ocasiones se ha utilizado para facilitar reacciones químicas".

Todas las reacciones químicas necesitan energía. Esa energía puede presentarse en muchas formas, como calor, luz o electricidad. Pero en el caso de la mecanoquímica, proviene de fuerzas mecánicas. "La fuerza mecánica provoca imperfecciones estructurales en la superficie de los materiales sólidos", afirma Hlova. "Estas imperfecciones se convierten en puntos reactivos donde las reacciones químicas pueden ocurrir más rápida y fácilmente".

Utilizando estos principios, el equipo de Hlova desarrolló MELLT. En un proceso llamado molienda de bolas, se extraen trozos sólidos de espodumena y un reactivo químico sólido, como el carbonato de sodio (Na₂CO₃), se colocan en una cámara con bolas de acero. La cámara se mueve de diferentes maneras, provocando tensiones de corte e impacto rápidas y repetitivas entre los materiales. El estrés repetido eventualmente conduce a estados de alta energía dentro de las sustancias químicas, lo que hace que reaccionen entre sí. Estas reacciones dan como resultado compuestos de litio solubles en agua. Estos compuestos de litio se extraen del producto final mediante un lavado con agua.

MELLT agiliza la extracción de minerales de roca dura, utiliza significativamente menos energía y elimina los flujos de desechos tóxicos. MELLT también es mucho más rápido que los métodos de extracción de salmuera.

"La mecanoquímica ofrece un enfoque más sostenible y respetuoso con el medio ambiente para realizar reacciones químicas", afirmó Hlova. "Este proyecto ofrece el potencial de diversificar las cadenas de suministro de litio en EE. UU., reduciendo la criticidad del litio y allanando el camino para un futuro sostenible".

El desarrollo de MELLT es parte de un esfuerzo colaborativo más amplio apoyado por CMI que involucra a múltiples laboratorios nacionales, universidades y socios industriales para descubrir nuevos procesos de refinación o mejorar los métodos existentes de extracción de litio tanto de fuentes de roca dura como de salmuera.

"CMI existe para desarrollar soluciones innovadoras para problemas críticos de la cadena de suministro como este", dijo Tom Lograsso, director de CMI. "Este trabajo es parte de esa misión, proporcionar a las industrias estadounidenses tecnologías que estén disponibles para su comercialización".

La Centro de innovación de materiales críticos es un Centro de Innovación Energética dirigido por el Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. con el apoyo de la Oficina de Tecnologías de Fabricación y Materiales Avanzados de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (AMMTO). CMI busca formas de acelerar el desarrollo de tecnologías de materiales críticos y mejorar la línea de innovación para las cadenas de suministro de EE. UU. acelerando la investigación, educando a una fuerza laboral diversa y creando tecnologías listas para el comercio y sin riesgos en asociación con la industria estadounidense.

En 11 años como Centro de Innovación Energética de Materiales Críticos del Departamento de Energía de EE. UU., se han autorizado 21 tecnologías CMI. CMI tiene 646 publicaciones y 51 patentes. CMI ha desarrollado seis paquetes de software de código abierto. Para asociarse con CMI o licenciar sus tecnologías, comuníquese con Stacy Joiner, Relaciones con socios de CMI, sjoiner@ameslab.gov  o al 515-296-4508.

Laboratorio Nacional Ames es un Departamento de Energía de los Estados Unidos Oficina de ciencia Laboratorio Nacional operado por la Universidad Estatal de Iowa. Ames Laboratory crea materiales, tecnologías y soluciones energéticas innovadoras. Utilizamos nuestra experiencia, capacidades únicas y colaboraciones interdisciplinarias para resolver problemas globales.

El Laboratorio Nacional Ames cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite https://energy.gov/science.

By Laboratorio Nacional Ames

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