끈을 이용한 리튬 생산 혁명

토목 및 환경 공학 대학원생이자 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 Meiqi Yang은 염수 용액에서 리튬염을 추출하는 끈 기반 기술을 연구하고 있습니다. (사진: 범퍼 드지저스(Bumper DeJesus) 프린스턴 대학교)

전기 자동차와 그리드 에너지 저장 장치의 핵심인 배터리의 핵심 구성 요소인 리튬은 청정 에너지 미래의 핵심입니다. 그러나 은백색 금속을 생산하려면 상당한 환경 비용이 발생합니다. 그중에는 염수에서 리튬을 추출하는 데 필요한 막대한 양의 토지와 시간이 있으며, 대규모 작업은 수십 평방 마일에 달하며 종종 생산을 시작하는 데 1년 이상이 소요됩니다.

이제 프린스턴 연구진은 리튬 생산에 필요한 토지와 시간을 단축하는 추출 기술을 개발했습니다. 연구원들은 그들의 시스템이 기존 리튬 시설의 생산량을 향상시키고 이전에는 가치가 없을 정도로 너무 작거나 희석된 것으로 여겨졌던 자원을 잠금해제할 수 있다고 말했습니다.

기술의 핵심은, 9월 7일에 설명됨 자연수는 끈으로 꼬인 다공성 섬유 세트로, 연구진은 물을 좋아하는 코어와 발수 표면을 갖도록 설계했습니다. 끝 부분을 소금물 용액에 담그면 물은 모세관 작용을 통해 끈 위로 이동합니다. 이는 나무가 뿌리에서 잎으로 물을 끌어당기는 데 사용하는 것과 동일한 과정입니다. 물은 각 줄의 표면에서 빠르게 증발하여 나트륨 및 리튬과 같은 염 이온을 남깁니다. 물이 계속 증발함에 따라 소금은 점점 더 농축되고 결국 끈에 염화나트륨과 염화리튬 결정이 형성되어 수확이 쉬워집니다.

현 표면에 염분이 형성됩니다. (Bumper DeJesus의 사진, 다음을 통해) 프린스턴 대학교)

염을 농축하는 것 외에도 이 기술은 리튬과 나트륨의 물리적 특성이 다르기 때문에 끈을 따라 서로 다른 위치에서 결정화되도록 합니다. 용해도가 낮은 나트륨은 끈의 아래쪽 부분에서 결정화되는 반면, 가용성이 높은 리튬염은 위쪽 근처에서 결정화됩니다. 자연적인 분리 덕분에 팀은 리튬과 나트륨을 개별적으로 수집할 수 있었는데, 이는 일반적으로 추가 화학 물질을 사용해야 하는 위업이었습니다.

“우리는 리튬을 농축, 분리 및 수확하기 위해 증발과 모세관 작용의 기본 과정을 활용하는 것을 목표로 삼았습니다.”라고 말했습니다. Z. 제이슨 렌, 토목 및 환경 공학 교수이자 프린스턴 에너지 및 환경 Andlinger 센터이자 연구팀의 리더입니다. “다른 많은 추출 기술의 경우처럼 추가 화학 물질을 적용할 필요가 없으며 이 공정은 기존 증발 접근 방식에 비해 많은 양의 물을 절약합니다.”

제한된 리튬 공급은 저탄소 사회로의 전환에 장애물 중 하나라고 Ren은 덧붙였습니다. “우리의 접근 방식은 저렴하고 작동하기 쉬우며 에너지가 거의 필요하지 않습니다. 이는 중요한 에너지 문제에 대한 환경 친화적인 솔루션입니다.”

줄 위의 증발 연못

기존 염수 추출에는 일련의 거대한 증발 연못을 건설하여 염원, 염호 또는 지하수 대수층에서 리튬을 농축하는 작업이 포함됩니다. 이 과정은 몇 달에서 몇 년까지 걸릴 수 있습니다. 이 작업은 충분히 높은 초기 리튬 농도, 풍부한 가용 토지 및 증발을 최대화할 수 있는 건조한 기후를 갖춘 전 세계 소수의 지역에서만 상업적으로 실행 가능합니다. 예를 들어, 미국에서는 네바다주에 위치하고 7평방마일이 넘는 염수 기반 리튬 추출 작업이 단 한 곳만 활발하게 진행되고 있습니다.

끈 기술은 훨씬 더 컴팩트하며 훨씬 더 빠르게 리튬 생산을 시작할 수 있습니다. 연구원들은 기술을 실험실에서 산업 규모로 확장하려면 추가 작업이 필요하다고 경고하지만 현재 운영에 비해 필요한 토지의 양을 90% 이상 줄일 수 있고 증발 과정을 100% 이상 가속화할 수 있다고 추정합니다. 기존 증발 연못에 비해 20배 더 많아 잠재적으로 한 달 이내에 초기 리튬 수확이 가능합니다.

소형, 저비용, 신속한 운영을 통해 현재 리튬 추출에 너무 작거나 너무 희석된 사용되지 않는 유정, 가스정, 지열 염수와 같은 새로운 리튬 공급원을 포함하도록 접근성을 확대할 수 있습니다. 연구원들은 증발 속도가 빨라지면 더 습한 기후에서도 작동이 가능해질 수 있다고 말했습니다. 그들은 이 기술이 바닷물에서 리튬을 추출할 수 있는지 여부도 조사하고 있습니다.

연구 공동저자이자 Andlinger Center의 박사후 연구원이었던 Sunxiang (Sean) Zheng은 “우리의 공정은 줄에 증발 연못을 놓는 것과 같기 때문에 공간적 공간을 크게 줄이고 공정을 보다 정밀하게 제어하여 리튬 수확을 얻을 수 있습니다”라고 말했습니다. 사람. “규모를 확대하면 환경 친화적인 리튬 추출의 새로운 지평을 열 수 있습니다.”

현을 생산하는 재료는 저렴하고 이 기술은 작동하기 위해 화학적 처리가 필요하지 않기 때문에 연구원들은 추가적인 개선을 통해 그들의 접근 방식이 널리 채택될 강력한 후보가 될 것이라고 말했습니다. 논문에서 연구원들은 100개의 리튬 추출 스트링 어레이를 구성하여 접근 방식의 잠재적인 확장성을 입증했습니다.

Ren의 팀은 이미 더 높은 효율성, 더 높은 처리량 및 결정화 공정에 대한 더 많은 제어를 가능하게 하는 2세대 기술을 개발하고 있습니다. 그는 창의적인 연구 협력을 가능하게 하는 중요한 초기 지원을 제공한 프린스턴 촉매작용 이니셔티브(Princeton Catalytic Initiative)를 높이 평가합니다. 또한 그의 팀은 최근 리튬 외에 다른 중요한 광물을 추출하는 접근 방식을 수정하는 방법을 포함하여 연구 개발 프로세스를 지원하기 위해 혁신상을 위한 NSF 파트너십과 프린스턴의 지적 재산권(IP) 가속기 기금으로부터 상을 받았습니다. 기계 및 항공우주 공학 조교수이자 Andlinger 에너지 및 환경 센터인 Kelsey Hatzell과 함께 Ren은 결정화 과정을 더 잘 이해하기 위해 Princeton 복합 재료 센터로부터 종자 자금을 지원 받았습니다.

Zheng은 기술을 개선하고 궁극적으로 이를 더 넓은 시장에 출시하는 프로세스를 시작하기 위해 PureLi Inc.라는 스타트업의 출범을 주도하고 있습니다. Zheng은 포용적 기업가 정신을 육성하기 위해 고안된 학술 펠로우십이자 스타트업 액셀러레이터인 프린스턴의 첫 번째 START 기업가 집단의 연구원 4명 중 한 명으로 선정되었습니다.

Zheng은 “연구원으로서 여러분은 많은 신기술이 너무 비싸거나 확장하기 어렵다는 것을 직접 알고 있습니다.”라고 말했습니다. “그러나 우리는 이 제품에 대해 매우 기대하고 있으며 몇 가지 추가 효율성 개선을 통해 세상에 실질적인 영향을 미칠 수 있는 놀라운 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다.”

일련의 협력자

Ren은 프린스턴 연구 그룹과 메릴랜드 대학 간의 광범위한 협력 노력을 통해 획기적인 발견이 가능했다고 말했습니다.

예를 들어, 메릴랜드 대학교 기계공학과의 Herbert Rabin 석좌교수인 Liangbing Hu와 함께 작업한 결과 연구원들은 기술 효율성을 극대화하기 위해 섬유 소재를 사용하고 처리하도록 영감을 받았습니다.

Ren의 연구팀은 또한 Howard Stone(Donald R. Dixon ’69 및 Elizabeth W. Dixon 기계항공우주공학 교수)과 Stone과 함께 일하는 Andlinger Center의 박사후 연구원인 Fernando Temprano-Coleto의 도움을 받아 기본 원리를 이해하고 모델링했습니다. 스트링의 인상적인 리튬 수확 능력을 뒷받침하는 유체 역학 및 운송 프로세스.

Ren(가운데)이 Sean Zheng과 함께 데이터를 조사하고 있습니다. (사진: 범퍼 드지저스(Bumper DeJesus) 프린스턴 대학교)

“일단 프로세스에 대한 수학적 설명에 도달하면 이미 관찰한 내용을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 예측력도 얻을 수 있습니다.”라고 Temprano-Coleto는 말했습니다. “모델을 마련하면 변수를 활용하여 프로세스를 최적화하고 다양한 조건에서 프로세스가 어떻게 수행되는지 이해할 수 있습니다.”

Ren의 팀은 Princeton Materials Institute의 실습 교수인 Nan Yao의 재료 특성화 전문 지식과 Princeton의 Imaging and Analysis Center에서 사용할 수 있는 고유한 시설을 활용하여 재료의 구조와 공간 배열을 특성화했습니다. Yao는 센터의 이사입니다.

Yao는 “리튬은 매우 가벼우며 단 3개의 전자만으로 매우 약한 X선 신호를 방출하기 때문에 전통적인 특성화 기술을 사용하여 리튬과 같은 원소를 검출하기가 어렵습니다.”라고 말했습니다. “다행히도 이미징 분석 센터에는 필요한 정보를 수집할 수 있는 최첨단 장비 제품군이 있습니다.”

Yao와 Yao 그룹의 부연구원인 Guangming Cheng은 현재 Tsinghua University의 부교수로 재직 중인 Ren 연구실의 토목 및 환경 공학 부연구원인 수석 저자 Xi Chen과 함께 작업하여 알려진 고급 기술을 사용했습니다. 끈을 따라 리튬과 나트륨의 공간 배열을 특성화하기 위해 주사 투과 전자 현미경과 함께 전자 에너지 손실 분광법으로 사용됩니다. 그들의 연구는 리튬과 나트륨이 끈을 따라 수직적으로나 방사형으로 서로 분리되어 나트륨이 주로 짜여진 끈의 표면에서 결정화되고 리튬이 중앙에 집중된다는 것을 밝혀냈습니다. 이번 발견은 기존 접근 방식의 효율성을 높이기 위한 지속적인 노력을 알릴 수 있습니다.

Ren은 “각 공동 작업자는 우리 기술의 고효율 뒤에 있는 기본 프로세스를 밝히는 것부터 최종 재료 특성화에 이르기까지 우리 작업에 매우 중요한 부분에 기여했습니다.”라고 말했습니다. “프로젝트에 참여하는 모든 사람의 전문 지식이 없었다면 우리는 작업을 완료할 수 없었을 것입니다.”

종이, “식염수로부터 선택적 리튬 추출을 위한 공간적으로 분리된 결정화,”은 Nature Water에 9월 7일 온라인으로 게재되었습니다. Ren, Zheng, Hu, Temprano-Coleto, Stone, Yao, Cheng 및 Chen 외에도 연구 저자로는 프린스턴 대학교의 Meiqi Yang과 메릴랜드 대학교의 Qi Dong이 있습니다.

에 의해 콜튼 푸어, Andlinger 에너지 및 환경 센터, 프린스턴 대학교