アメリカの研究者たちは、ナトリウムとリチウムの比率が1,000対1の溶液から99%の純リチウムを抽出する新しい方法を開発しました。シカゴ大学プルリツカー分子工学部のチームは、電気化学的挿入が重要なバッテリー材料であるリチウムの抽出に利用できることを発見しました。この技術はバッテリーやスーパーキャパシタの分野で一般的で、研究者たちは電流を加えることで異なる材料の層間にイオンを挿入します。現実世界の抽出技術は、この技術を使用して水から材料を抽出し、電流を利用して帯電したリチウムイオンを微細な通路を通過させる強制供給フィルターを作り出します。
しかし、リチウムイオンが通過する通路は、より一般的なナトリウムを含む他のイオンも通過させることができます。
この研究は、リチウムが層状材料（この研究ではコバルト酸化物）を通過する際のイオンチャネルが、二つの力の間の引き合いによって支配されていることを明らかにしました。研究者たちは、これは純粋な科学の進展だけでなく、新しい現実世界の抽出技術を開発する道でもあると述べています。シカゴ大学PMEの元大学院生であるGrant Hill博士は、「私たちの目標は、リチウムと他の塩類を選択的に分離できる材料を開発することです。」と述べています。彼は、この種の材料の主な競争相手はナトリウムであり、化学的性質とサイズが非常に似ていると指摘しています。
新技術が環境に優しいリチウム抽出を助ける
バッテリーは、化石燃料からの転換の主要な原動力ですが、現在リチウムの抽出に使用される方法は環境に優しいとは言えません。これらの方法は、焼成されたボーキサイト鉱石を溶かすために大量の酸を必要としたり、地下深くから数百万ガロンの塩水を抽出するために巨大な塩水池を必要とし、太陽の下で蒸発させる必要があります。シカゴ大学PMEの副教授である劉崇は、「私たちは、常に二つの平行反応が同時に発生することを知っています。一つは電荷によって駆動され、電流が材料に入るときに起こります。もう一つは、材料が自然にバランスを取る反応です。」と述べています。
Hillは、イオンチャネルを駐車場に囲まれた高速道路に例えています。彼は、「各リチウムイオンは最初に多くの空きスペースがあり、ナトリウムが追加されると、すべての隣接するリチウムの位置が押し合わされます。リチウムに優しい材料の領域では、駐車場はすでに満杯です。」と述べています。この課題を克服するには、リチウムイオンの粒子サイズを最適化し、二つの競争反応の間でバランスを見つける必要があります。これら二つの反応の最初のものは、研究者たちが電流を使ってイオンを層間に追加することによって引き起こされる挿入反応です。これが高速道路上の交通です。
二つ目の反応はイオン交換であり、競争するナトリウムとリチウムイオンがバランスに達する際に、隠喩的な駐車場への引き込み速度に基づいています。バランスは自らの速度で発生しますが、研究者たちは注入するイオンの速度を確定することができます。これは、彼らが最初の反応の「速度」を三つの選択肢の一つに設定できることを意味します：より速く、より遅く、または二つ目の反応の速度と同じです。劉崇は、「私たちは、この三つの状態の挙動が非常に異なることを発見しました。イオン交換が挿入を追い越すのに十分な時間を与えたときにのみ、私たちはこの非常に可逆的な材料反応を実現できるのです。」と述べています。
研究者たちは、イオンをゆっくり挿入し、理想的な粒子サイズを見つけることで、この可逆性を実現できることを明らかにしました。