Le lithium est un élément essentiel des batteries qui alimentent les véhicules électriques, mais l’explosion de la demande de lithium devrait épuiser les réserves terrestres d’ici 2080. Les chercheurs de KAUST ont maintenant mis au point un système économiquement viable qui permet d’extraire du lithium de haute pureté de l’eau de mer.
Les océans contiennent environ 5 000 fois plus de lithium que la terre ferme, mais à des concentrations extrêmement faibles d’environ 0,2 partie par million (ppm). Des ions plus importants, notamment le sodium, le magnésium et le potassium, sont tous présents dans l’eau de mer à des concentrations beaucoup plus élevées ; cependant, les efforts de recherche antérieurs visant à extraire le lithium de ce mélange ont donné peu de résultats.
L’équipe de KAUST a résolu ce problème grâce à une cellule électrochimique contenant une membrane en céramique faite d’oxyde de lithium lanthane titane (LLTO). Sa structure cristalline contient des trous juste assez larges pour laisser passer les ions lithium tout en bloquant les ions métalliques plus importants. « Les membranes LLTO n’ont jamais été utilisées pour extraire et concentrer les ions lithium auparavant« , explique le post-doc Zhen Li, qui a développé la cellule.
La cellule contient trois compartiments. L’eau de mer s’écoule dans une chambre d’alimentation centrale, où les ions lithium positifs traversent la membrane LLTO pour atteindre un compartiment latéral contenant une solution tampon et une cathode de cuivre recouverte de platine et de ruthénium. Pendant ce temps, les ions négatifs quittent la chambre d’alimentation à travers une membrane échangeuse d’anions standard, passant dans un troisième compartiment contenant une solution de chlorure de sodium et une anode en platine-ruthénium.
Les chercheurs ont testé le système en utilisant de l’eau de mer de la mer Rouge. À une tension de 3,25 V, la pile génère de l’hydrogène gazeux à la cathode et du chlore gazeux à l’anode. Cela entraîne le transport du lithium à travers la membrane LLTO, où il s’accumule dans la chambre latérale. Cette eau enrichie en lithium devient alors la matière première de quatre autres cycles de traitement, pour atteindre finalement une concentration de plus de 9 000 ppm. En ajustant le pH de cette solution, on obtient un phosphate de lithium solide qui ne contient que des traces d’autres ions métalliques – suffisamment pur pour répondre aux exigences des fabricants de batteries.
Les chercheurs estiment que la pile n’aurait besoin que de 5 dollars d’électricité pour extraire 1 kilogramme de lithium de l’eau de mer. La valeur de l’hydrogène et du chlore produits par la cellule ferait plus que compenser ce coût, et l’eau de mer résiduelle pourrait également être utilisée dans des usines de dessalement pour fournir de l’eau douce.
« Nous allons continuer à optimiser la structure de la membrane et la conception de la cellule pour améliorer l’efficacité du processus« , déclare le chef de groupe Zhiping Lai. Son équipe espère également collaborer avec l’industrie du verre pour produire la membrane LLTO à grande échelle et à un coût abordable.
[ Illustration – Crédit / © 2021 Morgan Bennett Smith ]
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