Получение гидроксида лития для аккумуляторов с помощью электролиза может сократить углеродный след производства на 60% и одновременно избавить его от ряда химических отходов. К такому выводу пришли исследователи из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах, которые сравнили традиционные и электрохимические способы переработки лития. Наиболее перспективным оказался вариант, при котором сподуменовую руду сначала быстро нагревают электрическим током для получения хлорида лития, а затем напрямую превращают его в гидроксид лития в электролизере.
Гидроксид лития LiOH используется при производстве аккумуляторных катодов с высоким содержанием никеля. Сегодня его получение из сподумена представляет собой длинную цепочку химических превращений. Сначала руду добывают, измельчают и нагревают при температуре выше 1000 °C, после чего с помощью серной кислоты получают сульфат лития. Далее его с помощью карбоната натрия превращают в карбонат лития, а затем с использованием гидроксида кальция – в гидроксид лития. В результате на производство 1 кг LiOH расходуется около 39,3 кВт·ч энергии и выбрасывается до 16,9 кг CO₂. Кроме того, образуется около 2,95 кг сульфата натрия и 4,18 кг карбоната кальция на килограмм LiOH.
Исследователи предлагают сократить эту цепочку за счет хлор-щелочного электролиза – технологии, которая уже широко применяется в промышленности для производства гидроксида натрия из обычной соли. В данном случае исходным веществом служит хлорид лития LiCl. Под действием электрического тока ионы лития проходят через специальную мембрану в другую часть электролизера, где образуется раствор LiOH. Одновременно на электродах выделяются хлор и водород. Прямое получение гидроксида лития из LiCl позволяет исключить промежуточное производство карбоната лития, а вместе с ним – использование карбоната натрия и гидроксида кальция и образование связанных с ними отходов.
Для переработки сподумена исследователи рассмотрели сочетание электролиза с технологией Flash Joule Heating – сверхбыстрым нагревом материала электрическим током. Она позволяет напрямую превращать сподумен в хлорид лития без промежуточного получения сульфата лития. После очистки LiCl поступает в электролизер и превращается в гидроксид лития. Расчетное энергопотребление всей цепочки составляет 33,9 кВт·ч на килограмм LiOH против 39,3 кВт·ч у традиционного процесса, то есть примерно на 14% меньше.
При этом хлор, который выделяется в электролизере, можно возвращать на стадию переработки сподумена, где он необходим для получения LiCl. Это позволяет организовать замкнутый оборот хлора, снизить потребность в дополнительных реагентах и избежать образования сульфата кальция. Второй побочный продукт электролиза – водород – можно использовать непосредственно на предприятии или продавать как промышленный газ.
Электролиз можно применять и при получении лития из природных рассолов. В этом случае традиционная технология пока требует меньше энергии – около 4,8 кВт·ч на килограмм LiOH против 6,7 кВт·ч при хлор-щелочном электролизе. Однако электрохимический вариант позволяет отказаться от карбоната натрия и гидроксида кальция и избежать образования карбоната кальция. При использовании низкоуглеродной электроэнергии его углеродный след может составлять около 1,38 кг CO₂ на килограмм LiOH. При высокой доле угольной генерации экологическое преимущество электролиза сокращается или исчезает.
Главным техническим препятствием остается мембрана электролизера. Ионы лития при прохождении через нее переносят с собой молекулы воды, из-за чего мембрана набухает и начинает хуже удерживать гидроксид-ионы. В результате часть из них перемещается в обратном направлении, снижая эффективность получения LiOH. В рассмотренных авторами экспериментальных данных она достигала максимум 73% при плотности тока 250 мА/см². Поэтому для промышленного применения технологии необходимо создать более устойчивые и селективные мембраны. Также необходимы пилотные испытания всей технологической цепочки, в том числе с замкнутым оборотом хлора.
