hace numerosos años, leí un breve artículo sobre el nuevo helicenio: baterías de litio. El autor abrió con lo que sin duda pensó que era una referencia de cultura pop inteligente diciendo que la mera mención de litio “hiciera la preocupación en los corazones de Klingons”. Era una referencia débil a los “cristales de dilitio” de ficción de la fama de Star Trek, e incluso luego lo encontré un poco cursi, pero supongo que tenía que llevar con algo.
Décadas más tarde, una comprensión más profunda de la Lore deja claro que la única preocupación de Klingon es la muerte con deshonra, pero hay una especie aquí en la tierra que vive en el temor de Litio: CEOs de preocupaciones de fabricación de automóviles eléctricos. Para ellos, no es la presencia de litio que ataca el miedo, sino la relativa ausencia de ella; Si bien es el 25, muchos elementos abundantes en la corteza de la Tierra, y los gigatones se disuelven en los océanos del mundo, el litio es muy reactivo y, por lo tanto, tiende a difundirse, lo que hace que sea difícil de obtener concentrado en las cantidades.
A medida que el automóvil eléctrico y los mercados de energía renovable continúan creciendo, la necesidad de litio para fabricar baterías crecerá con él, potencialmente hasta el punto en que la demanda supera la capacidad de producción de la industria minera. Para entender cómo puede ser posible ese desequilibrio, echemos un vistazo a la forma en que el litio se extrae actualmente, así como analizar algunas técnicas de minería nuevas que pueden ayudar a llenar la brecha de litio que viene.
Un comienzo rocoso
Aunque el litio ha sido conocido y bien caracterizado por químicos porque a principios del siglo XIX, fue solo a mediados del siglo anterior, se identificaron los usos comerciales para los compuestos de litio. La demanda de los lubricantes estables de la industria de las aeronaves resultó en el desarrollo de grasas hechas de jabones de litio, y la necesidad de metales de alto rendimiento pero liviana llevó a la industria de aluminio para emplear litio para mejorar el proceso de fundición de Hall-Héroult. Al mismo tiempo, los médicos descubrieron que las sales de litio pueden tratar a los clientes con trastorno bipolar.
Un gran cristal de spodumene (inosilicato de aluminio de litio, lial (SIO3) 2) encontrado en Massachusetts. Fuente: por Rob Lavinsky, Irocks.com – CC-BY-SA-3.0
Incluso con la demanda adicional de la industria nuclear naciente a partir de la década de 1940, casi todo el litio necesario podría suministrarse a partir de pequeñas operaciones de minería de roca dura que explotaron los depósitos de rocas, incluidos los cristales grandes de los minerales de litio, como Spodumene, Petalite y Lepidolite . Estos tres minerales permanecen en una alta demanda a este día para la producción de hidróxido de litio, uno de los dos compuestos de litio principal utilizados por la industria.
La producción de litio de minas de roca dura tiene mucho en común con otros métodos de minería y refinación que hemos discutido en esta serie. Las rocas rodantes de mineral están expulsadas de minas de pozo abierto, recogidas por enormes cargadoras y camionetas a una planta de refinación. Allí, la roca se reduce en tamaño por una serie de trituradoras y molinos hasta que se convierte en un polvo fino. Se agrega agua al polvo para crear una suspensión conocida como pulpa, que también incluye surfactantes y dispersantes que hacen que los minerales de litio que contienen hidrófobos. En un tanque poco profundo con aire bombeado desde la parte inferior, el litio ligero forma una espuma que flota hacia la parte superior mientras las partículas de roca más pesadas se hunden.
Después de que la espuma de litio se deslice del tanque de flotación, el líquido adicional se filtra para crear un polvo de litio concentrado pero impuro que necesita ser refinado. El proceso de refinación depende mucho de los minerales de origen y el producto final deseado, pero para el mineral de spodumene concentrado, el litio se filtra típicamente utilizando una combinación de ácido sulfúrico y hidróxido de sodio. Si bien esta es una ruta directa con altos rendimientos, los ácidos y las bases involucradas pueden hacerlo problemolialmente problemático. Otros procesos de lixiviación sin ácido se han desarrollado como resultado, que se dice que es el tipo de proceso que TESLA está utilizando en su nueva planta de hidróxido de litio que se está construyendo junto a su gigafactor de Texas.
Abajo en la mina salmuera
Como se discutió antes, el agua de mar incluye algo así como 230 mil millones de toneladas de litio, se disuelve principalmente como sales de litio. Si bien esto constituye la mayor parte del litio en el planeta, es demasiado difuso: un mero micromolar: servir como una fuente comercial viable sin grandes gastos de energía para extraerlo y concentrarlo. Pero el agua de mar no es la única salmuera que contiene litio, y la extracción del metal importante de las salmueras subterráneas se ha convertido en el principal método de producción porque la década de 1990.
Con mucho, las salmueras de litio más significativas se encuentran en el “triángulo de litio” de América del Sur. Ocupando partes de Chile, Bolivia y Argentina, el área es el hogar de grandes pisos de sal o salarios, áreas donde los antiguos lagos o estanques se evaporaron, dejando las sales y otros minerales precipitados. Estos pisos de sal se han acumulado durante millones de años, dejando ricas capas de minerales debajo de TSuperficies herejos. Y como veremos, el terreno plano y las condiciones áridas severas en la superficie también desempeñan un papel en el proceso de minería.
Estanques de salmuera en el Salar de Atacama en Chile, como se ve desde el espacio. Para escala, cada uno de los estanques largos y delgados en el centro es casi un kilómetro de largo. Fuente: Observatorio de la tierra de la NASA, por Lauren Dauphin
La salmuera de litio minera es bastante diferente a cualquiera de los otros métodos de minería que hemos cubierto antes, y no podrían ser más simples. En lugar de desenterrar las rocas y aislar cuidadosamente el material de interés, la minería de salmuera consiste en inyectar agua en depósitos de sal a través de perforaciones profundas. El agua disuelve los depósitos de sal, creando una salmuera rica que se puede bombear hasta la superficie. La salmuera se bombea en estanques poco profundas y se deja al sol para evaporarse.
Cuando muchos de los aguas en un estanque se han evaporado, hasta dos años después, la salmuera ahora concentrada se cosecha. El concentrado incluye una variedad de elementos además del litio, incluyendo sodio, magnesio, fosfatos y boro. El concentrado puede ser aún más procesado en el sitio, o al igual que cada vez más común, enviado a través de tuberías a puertos para el transporte a las plantas de procesamiento de litio en el extranjero.
A la cara, el método de evaporación para la minería de salmuera de litio parece un ganador. Es muy simple, se alimenta prácticamente exclusivamente al sol, y está desprovisto de algunos de los impactos que puede tener una gran operación minera a cielo abierto. Pero todavía hay grandes problemas con la concentración de evaporación. En primer lugar, requiere grandes cantidades de agua para crear las salmueras en primer lugar, y debido a que los estanques de evaporación solo son útiles en lugares donde no llueve mucho, el agua ya está en breve suministro. El agua utilizada para la minería de salmuera también se pierde en la atmósfera, regresando a la superficie en algún lugar lejos de los estanques de evaporación. Además, los estanques de evaporación ocupan cantidades increíblemente grandes de tierra: algunos complejos de estanquees cubren un área del tamaño de Manhattan, lo que lo hace desafiante ampliar las operaciones. Y la cantidad de tiempo que toma el sol para hacer su trabajo es un problema en términos de flexibilidad de producción.
Una mejor manera
Para aprovechar al máximo la minería de salmuera mientras se mitigan sus defectos, los métodos directos de extracción de litio se están volviendo cada vez más populares. En DLE, la salmuera se bombea desde fuentes subterráneas, pero en lugar de concentrar la salmuera mediante evaporación abierta, el litio se elimina de la salmuera utilizando una serie de métodos químicos y físicos. Un método es la adsorción de intercambio de iones, donde la salmuera se mezcla con un material absorbente que se une preferentemente los compuestos de litio sobre los otros compuestos en la salmuera. Una clase de sorbentes utilizados en DLE se conoce como hidroxides dobles en capas (LDH), materiales con una estructura en capas que permite que el cloruro de litio en la salmuera se ajuste entre las capas mientras excluye el potasio, el magnesio y otras sales. La salmuera se devuelve al suelo, mientras que el cloruro de litio de alta pureza se lava del sorbente.
Otros métodos DLE incluyen tecnologías de separación de membrana como la ósmosis inversa, donde la salmuera se bombea a alta presión a través de las membranas con poros que mantienen las sales de litio, o por extracción de solventes, donde se utilizan disolventes orgánicos para extraer el litio. Sin embargo, el tema común con métodos DLE, es el hecho de que son procesos de bucle cerrado, el agua utilizada para crear la salmuera se devuelve a las formaciones subterráneas, incluido el litio. Las plantas DLE también asumen una fracción del espacio físico que incluso se tomaría un solo estanque de evaporación, y no confían en ambientes extremos como los salarios para trabajar.
Lo mejor de ambos mundos
Tan atractivo como la tecnología DLE está, en la escala necesaria para ser comercialmente viable, las plantas DLE aún requieren una buena cantidad de energía para correr. Pero en algunos lugares, una peculiaridad de geología ha dejado amplios depósitos de litio cerca de una fuente de abundante energía renovable. En el valle imperial de California, se encuentra el mar Salton, un lago interior salino que se encuentra sobre una serie de fallas geológicas activas, incluida la conocida falla de San Andreas. El área es ideal para la producción de energía eléctrica geotérmica, con once plantas que producen actualmente 2,250 MW. Algunas de estas plantas geotérmicas se ubican en co-ubicadas con plantas DLE, que bombearon salmuetas calientes y ricas en litio que se purifican utilizando la energía geotérmica producida en el sitio. Hablando con el medio ambiente, tales plantas son tan bajo carácter que la producción de litio puede ser, con la planta de DLE geotérmica que se está construyendo por la compañía australiana, los recursos térmicos controlados previstos para producir 68,000 toneladas de litio de grado de batería en 2027.
Con la demanda de litio establecido para elevarse, la capacidad de extraer lo que podemos, de las fuentes limitadas que tenemos disponible utilizando la cantidad más baja de energía, se está convirtiendo en un desafío de hecho. El DLE geotérmico parece un buen comienzo, pero el número de lugares en el mundo con la geoquímica apropiada y las tectónicas para respaldar tales operaciones es limitado. EsoVa a tomar una ingeniería inteligente para obtener el resto del litio que está disponible, al menos con la tecnología y los recursos energéticos que tenemos actualmente.
[Banner Foto de Pablo CozzAglio / AFP a través de Getty Images]