Lithium recovery by means of functionalized magnetic micro-sponges

With the growth in global demand for rechargeable batteries in view of the advent of the electric car, lithium could become increasingly difficult and expensive to procure. Producing a kilo of lithium costs $ 80 to date, while extracting an equal amount from the salt lakes in South America, China and Australia costs just $ 3. The main lithium supply technology is therefore the extraction through the process of lime soda evaporation from salt deposits, but the vulnerability to atmospheric conditions and the difficulty in the separation phase of lithium from magnesium, as well as the fact that the salt lakes resources are limited, require the research to identify alternative technologies. The aim of this work is to evaluate the use of properly functionalized magnetite nanoparticles for the recovery of lithium from aqueous solutions and from organic solvents, the latter in volumetric proportions such as to simulate those used in common lithium ion batteries. The XRD analysis confirmed that the particles we obtained by co-precipitation are pure magnetite. The morphological characterization of the particles was obtained by SEM and TEM analysis and no significant differences were found between pure magnetite and functionalized magnetite. The particles have sizes in the order of tens of nanometers in diameter and tend to form micrometric aggregates. The functionalization with citric acid was tested by FT-IR and confirmed by CV analysis, also exploited for the electrochemical characterization of the particles and for the identification of characteristic reduction peak for lithium in order to verify the adsorption. Lithium adsorption was verified and quantified by ICP analysis. The effect of the concentration of the particles in solution and of the contact time of the particles with the lithium ions was studied. An increase in pH in the case of recovery from aqueous solutions provides worse results in terms of lithium ion adsorption, while an increase in temperature is thermodynamically favourable to the adsorption process giving better results.

Con la crescita della domanda globale di batterie ricaricabili in vista anche dell'avvento dell'auto elettrica, il litio potrebbe diventare sempre più difficile e costoso da procurare. Ad oggi, produrre un chilo di litio costa 80$, mentre estrarne una uguale quantità dai laghi salati in Sud America, Cina e Australia costa appena 3$. La principale tecnologia di approvvigionamento da litio è pertanto l’estrazione attraverso il processo di lime soda evaporation da depositi salini, ma la vulnerabilità alle condizioni atmosferiche e la difficoltà nella fase di separazione del litio dal magnesio, nonché il fatto che le risorse rappresentate dai laghi salati sono limitate, esigono un impegno sul versante della ricerca mirato alla individuazione di tecnologie alternative. Con il presente lavoro si intende valutare l’impiego di nanoparticelle di magnetite opportunamente funzionalizzate per il recupero del litio da soluzioni acquose e da solventi organici, questi ultimi in proporzioni volumetriche tali da simulare quelli impiegati nelle comuni batterie a ioni litio. L’analisi XRD ha confermato che le particelle ottenute mediante co-precipitazione sono magnetite pura. La caratterizzazione morfologica delle particelle è stata ottenuta da analisi SEM e TEM e non sono state riscontrate differenze rilevanti tra la magnetite pura e la magnetite funzionalizzata. Le particelle hanno dimensioni nell’ordine delle decine di nanometri di diametro e tendono a formare aggregati micrometrici. La funzionalizzazione con acido citrico è stata provata da FT-IR e confermata dalle analisi CV, sfruttate anche per la caratterizzazione elettrochimica delle particelle e per verificare l’estrazione degli ioni litio attraverso il riconoscimento del picco caratteristico del processo di riduzione degli stessi. L’adsorbimento di litio è stato verificato e quantificato attraverso analisi ICP. Si è studiato l’effetto della concentrazione delle particelle in soluzione e del tempo di contatto delle particelle con gli ioni litio. Un aumento del pH nel caso di recupero da soluzioni acquose fornisce risultati peggiori in termini di adsorbimento di ioni litio, mentre un aumento di temperatura favorisce termodinamicamente il processo di adsorbimento fornendo risultati migliori.