El proceso a baja temperatura podría permitir obtener litio más limpio de la abundante roca dura de Estados Unidos, minimizando los residuos.

La demanda de litio se ha disparado en los últimos años, ya que las baterías de iones de litio alimentan cada vez más nuestro mundo. Y, sin embargo, a pesar de que lugares como Estados Unidos, Europa y Australia cuentan con abundantes recursos de litio en su territorio, China domina el refinado mundial de litio. El mayor obstáculo para aprovechar el litio de Estados Unidos y Australia es extraerlo de los minerales de roca dura en una forma que sea útil.

Actualmente, la extracción de litio de roca dura es un proceso que consume mucha energía y genera mucho desperdicio, y con frecuencia resulta mucho más caro que obtener litio del agua salina, que además tiene importantes desventajas medioambientales. Actualmente, la extracción de litio de roca dura implica hornear la roca a más de 1.000 grados Celsius y lixiviarla químicamente para extraer el litio. El resto de la roca se descarta.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y de otras instituciones ha desarrollado un proceso de baja temperatura para extraer litio apto para baterías del tipo más común de mineral que contiene litio. El proceso usa un reactivo líquido para disolver la roca en formas útiles de sus componentes: no solo sales de litio listas para baterías, sino también alúmina apta para fundición y sílice apta para cemento. Una vez extraídos los minerales, el disolvente y el reactivo pueden recuperarse y reutilizarse, por lo que los niveles de residuos tienden a cero.

Los investigadores estiman que el proceso de ciclo cerrado tiene la mitad del costo de la extracción tradicional de litio de roca dura y podría hacerlo competitivo en costos con la extracción de litio de agua salina.

Un artículo que describe el proceso fue publicado hoy en Science. Los investigadores ya han comenzado a comercializar la tecnología a través de una empresa derivada del MIT, Rock Zero.

“Para 2040, tenemos que cuadruplicar la producción mundial de litio, lo que equivale a cientos de nuevos activos de producción de litio”, dice el autor Camden Hunt, ex gerente de proyecto del Centro para la Electrificación y Descarbonización de la Industria del MIT. “La roca dura es abundante; puedes encontrarla en todas partes. Pero la mayor parte del refinado de roca dura se hace en China. Nuestra tesis central es que, si puedes encontrar una manera más fácil de fragmentar la roca, extraer el litio y producir sales de litio aptas para baterías, puedes cambiar el mercado del litio. Esto se alinea con el impulso reciente de retomar la producción nacional de minerales críticos en Estados Unidos”.

Junto a Hunt en el artículo están el ex posdoctorante del MIT Benjamin Mowbray; la candidata a doctorado Kalyn Fuelling; la estudiante de grado del MIT Jacqueline Prawira; Khashayar Jafari, ex investigador sénior de la empresa derivada de cemento ecológico Sublime Systems del MIT; y Yet-Ming Chiang, Profesor Kyocera de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

De los baños a las baterías

La investigación tiene sus raíces en una renovación de baño. Hace unos 25 años, mientras Chiang visitaba una ferretería buscando algo que volviera translúidos unos bloques de vidrio transparentes, se topó con una crema para grabado de vidrio que funciona al “comerse” la superficie del vidrio. El ingrediente activo resultó ser fluoruro de amonio.

Más recientemente, mientras Chiang buscaba formas de descomponer químicamente el mineral portador de litio más abundante, la espodumena, recordó esa crema para grabado. La espodumena, como el vidrio, consiste principalmente de sílice. Los métodos convencionales basados en química para extraer metales de minerales tienden a disolver preferentemente los elementos más reactivos y dejan un residuo enriquecido en sílice debido a la fortaleza de los enlaces silicio-oxígeno. Al diseñar su proceso para usar una mezcla de agua y fluoruro de amonio, los investigadores lograron disolver la sílice primero, invirtiendo el proceso.

Los investigadores demostraron que podían disolver roca de espodumena a temperatura ambiente, lo que representó un avance respecto a los procesos tradicionales que requieren calor extremo. Pero esto era solo el primer paso hacia un sistema de ciclo cerrado que produjera materiales útiles.

“Disolver sílice es la parte difícil de la minería”, dice Mowbray. “La siguiente pregunta fue: ¿cómo aplicamos esto a problemas de procesamiento mineral con impacto?”

El mineral espodumena está compuesto principalmente de tres componentes: litio, aluminio y sílice. Mowbray y Hunt, ambos doctores en química, empezaron a explorar maneras de refinar esos componentes por separado después de que fueran descompuestos en la solución de fluoruro de amonio.

Primero, los investigadores aislaron fluoruro de litio, un insumo útil en materiales electrolitos comunes usados en baterías. Chiang, quien ha fundado varias compañías de baterías en su carrera de varias décadas en el MIT, luego preguntó al equipo si podían aislar hidróxido de litio y carbonato de litio, dos sales de litio útiles para fabricar cátodos de baterías. Los investigadores volvieron al laboratorio y descubrieron que podían producir ambas mediante nuevos procesos, algunos de los cuales envolvían añadir dióxido de carbono o carbonato de sodio. Chiang encargó al equipo un reto similar para la parte de aluminio de la roca, que se aisló usando una técnica de separación a alta temperatura, y luego la sílice, que se aisló por precipitación.

“Primero nuestro objetivo era producir estos productos, luego siguieron pasos adicionales de caracterización de su pureza y propiedades, asegurándonos de que nuestras muestras cumplieran las especificaciones para los mercados objetivo,” explica Mowbray. “Para las sales de litio, identificamos las especificaciones de pureza para carbonato de litio apto para baterías, la sal de litio más común. Para la sílice, queríamos que sirviera como aditivo para cemento, así que realizamos pruebas de reactividad en cemento y finalmente fabricamos cubos de cemento con ella, para pruebas de resistencia con métodos industriales. Para el aluminio, apuntamos a calidad de fundición. Si cualquiera de los productos no cumplía con las especificaciones, terminarías con un flujo residual de desperdicio.”

Luego, los investigadores desarrollaron un proceso para reutilizar el fluoruro de amonio y el agua que inician la reacción.

“Somos capaces de disolver la roca con la espodumena, y eso libera todos los elementos, incluido el aluminio y el litio”, dice Chiang. “La sílice queda en la solución, pero al producir fluoruro de amonio, también se libera gas amoníaco. Si ese gas amoníaco se reaplica, vuelve a precipitar la sílice. Esa secuencia nos devuelve el fluoruro de amonio inicial. Por eso es un proceso circular.”

Los investigadores procesaron con éxito espodumena de 17 fuentes diferentes, demostrando su aplicabilidad mundial utilizando rocas de distintos lugares.

“¿Has oído hablar de la idea de comer de la cabeza a la cola?” dice Chiang. “A esto lo llamamos minería de la cabeza a la cola. Los integrantes del equipo vinieron al MIT a buscar problemas relevantes para trabajar en sostenibilidad. Con sus habilidades, solo había que ponerlos a trabajar sobre este problema. Pasamos por todos estos pasos, y en cada uno solo les decía: ‘¿Pueden resolver este siguiente paso?’ Y una o dos semanas después respondían, ‘Sí, ya demostramos que podemos’. Así se construyó todo este proceso.”

Escalando el proceso

Chiang desafió aún más a su equipo a evaluar la viabilidad comercial de su nuevo sistema.

“Una vez que habíamos resuelto estas operaciones centrales, Yet nos animó a hacer algunas cuentas”, explica Mowbray. “¿Existe suficiente espodumena en el mundo para abastecer 100 teravatios-hora de producción de baterías? La siguiente pregunta fue: si abasteces todas las baterías del mundo con este proceso, ¿cuáles serían los volúmenes de coproductos? ¿Corresponden a los mercados globales de materias primas? Luego empezamos a analizar el costo de los reactivos, de la energía, del equipamiento. Empezamos a convencernos de que esto podría tener un gran impacto.”

El trabajo tiene un significado especial para Mowbray, quien creció en un histórico pueblo minero de la Columbia Británica rural.

Los investigadores trabajaron con la Oficina de Licencias Tecnológicas del MIT para crear su empresa derivada, Rock Zero, que ahora está ubicada en The Engine y escalando el sistema.

“Creemos que este enfoque es la forma de menor energía y menor costo de obtener litio no solo de roca dura, sino en general”, dice Chiang. “Eso es lo que nos motiva a escalar esto. Permitirá la transición energética a través de baterías que usan litio. Ese era uno de los objetivos de The Climate Project en el MIT: trabajar en proyectos que, en pocos años, pudieran pasar del laboratorio a la comercialización e impacto.”

El trabajo fue apoyado, en parte, por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía del Departamento de Energía (ARPA-E), el programa MIT Climate Grant Challenges y la National Science Foundation. El trabajo utilizó las instalaciones de MIT.nano.