أعلن فريق بحث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في الولايات المتحدة مؤخرًا عن عملية جديدة من المتوقع أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة وتكلفة استخراج الليثيوم من الصخور الصلبة. ويعتقد أنه قد يغير السجل الاقتصادي لبطاريات السيارات الكهربائية. تركز الأبحاث ذات الصلة المنشورة في مجلة Science على كيفية تقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات النفايات عند معالجة خامات الصخور الصلبة المحتوية على الليثيوم.
في الوقت الحاضر، أحد الأسباب الرئيسية وراء سيطرة بطاريات الليثيوم أيون على سوق البطاريات هو أن سلسلة التوريد الخاصة بها واسعة النطاق ونظامها ناضج، مما يشكل شبكة إمداد الليثيوم العالمية عالية الكفاءة، مما يجعل من الصعب على التقنيات البديلة التنافس على التكلفة. ومع ذلك، فإن هذه الميزة تعتمد بشكل كبير على الإمداد المستقر لموارد الليثيوم الرخيصة، وموارد الليثيوم الحالية منخفضة التكلفة تأتي بشكل رئيسي من رواسب المياه المالحة في البحيرات المالحة المتمركزة في أمريكا الجنوبية. على الرغم من أن الليثيوم ليس نادرًا من حيث وفرته في القشرة الأرضية، إلا أن مصادر الخام عالية الجودة التي يسهل استخراجها ومنخفضة التكلفة ليست وفيرة.
وعلى هذه الخلفية، يواصل الناس التركيز على معدن يحتوي على الليثيوم يسمى سبودومين، وهو مصدر الليثيوم الصخري الصلب الأكثر وفرة في العالم. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا معالجة السبودومين التقليدية باهظة الثمن: حيث يحتاج الخام إلى التسخين إلى حوالي 1000 درجة مئوية ثم ترشيحه بحمض الكبريتيك لاستخراج الليثيوم. وعلى الرغم من أن هذه العملية ناضجة وموثوقة، إلا أنها يصاحبها استهلاك كبير للطاقة وتنتج كمية كبيرة من النفايات المحتوية على الكبريت.
يأخذ النهج الجديد الذي يقترحه معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمتعاونون معه مسارًا مختلفًا تمامًا. وبدلاً من البدء بالتحميص على درجة حرارة عالية، تستخدم العملية محلول فلوريد الأمونيوم الذي يتم تسخينه إلى حوالي 70 درجة مئوية لتكسير البنية المعدنية. في هذه العملية، يتم فصل الخام إلى ثلاثة تيارات مادية: الليثيوم والسيليكون والألومنيوم: يذوب الليثيوم في المحلول على شكل فلوريد الليثيوم، ويشكل السيليكون مركبًا قابلاً للذوبان، ويتم تحويل الألومنيوم إلى منتج وسيط صلب لسهولة المعالجة.
في الخطوات اللاحقة، تعد معالجة الألومنيوم هي الحلقة الأكثر استهلاكًا للطاقة في العملية، وتتطلب تسخينًا مرحليًا، أولاً إلى حوالي 300 درجة مئوية، ثم إلى حوالي 700 درجة مئوية، لإنتاج الألومينا في النهاية بنقاء يزيد عن 98%. وبالمقارنة، فإن معالجة السيليكون بسيطة نسبيا: عن طريق إضافة الأمونيا، يتم تحويل مركبات السيليكون الموجودة في المحلول إلى رواسب السيليكا، والتي يسهل فصلها. وأشار فريق البحث إلى أنه يمكن استخدام هذه السيليكا كإضافات للخرسانة، مما قد يساعد في تعويض تكاليف المعالجة جزئيًا.
يبقى الليثيوم دائمًا في محلول مثل فلوريد الليثيوم. في هذا النموذج، يمكن استخدامه مباشرة كمقدمة لمواد الإلكتروليت سداسي فلورو فوسفات الليثيوم، أو يمكن تحويله إلى نترات الليثيوم ثم تحضيره إلى أكسيد الليثيوم للدخول في عملية إنتاج مواد البطاريات التقليدية. وهذا يوفر خيارات مسار متعددة لربط العملية الجديدة بسلسلة صناعة بطاريات الليثيوم الحالية.
السمة الرئيسية للعملية الجديدة هي إدارة "الحلقة المغلقة" لنظام التفاعل الخاص بها. خلال عملية التفاعل متعددة الخطوات، سيتم توليد مواد مثل الأمونيا وفلوريد الهيدروجين؛ وبدلاً من معالجتها كنفايات، صمم فريق البحث وصلة إعادة تدوير لإعادة تصنيع الاثنين إلى فلوريد الأمونيوم للمشاركة في المعالجة الأمامية مرة أخرى. يساعد تصميم الحلقة المغلقة هذا على تقليل خسائر الكواشف وانبعاثات النفايات، ولكنه يعني أيضًا الحاجة إلى إدارة صارمة للسلامة لفلوريد الهيدروجين شديد التآكل والسامة.
من وجهة نظر اقتصادية، تظهر الحسابات التي أجراها فريق البحث أن تكلفة معالجة السبودومين التقليدية أقل بقليل من 9000 دولار أمريكي لكل طن من الليثيوم، في حين من المتوقع أن تؤدي العملية الجديدة إلى خفض التكلفة إلى أكثر من 5000 دولار أمريكي للطن، وهو ما يقرب تقريبًا من مستوى تكلفة استخراج الليثيوم من موارد ملحية عالية الجودة. إذا تمكنت المنتجات الثانوية من الألومنيوم والسيليكون من دخول السوق بنجاح وتحقيق الدخل منها، فهناك مجال لمزيد من التخفيض في التكاليف الإجمالية.
ومع ذلك، أكد الباحثون أيضًا أنه لا تزال هناك شكوك متعددة بين القياسات المعملية وعمليات المصنع الفعلية. وستعتمد التكاليف الفعلية على عوامل مثل درجة الخام، وتقلبات أسعار السوق، واستثمار رأس المال اللازم لبناء أو تعديل مرافق الإنتاج للعملية الجديدة. وعلى الرغم من ذلك، لا يزال هذا العمل يعتبر بمثابة فكرة جديدة بشأن مسألة إمدادات الليثيوم. وهو لا يركز فقط على المصادر الجغرافية لموارد الليثيوم، ولكنه يحاول أيضًا تحسين استخدام الطاقة ونماذج استعادة الموارد بدءًا من عملية الاستخراج نفسها.