Hacia nuevos nanocompuestos para la recuperación de ion litio

La creciente demanda de dispositivos electrónicos portátiles y baterías ha provocado un interés cada vez mayor por los compuestos basados en litio. Ahora, un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con la Universidad de Antofagasta y la Universidad Católica de Temuco (Chile), ha publicado una investigación que abre un nuevo enfoque para la aplicación de materiales recuperadores de ion litio basados en óxidos de litio-manganeso.

Concretamente, el trabajo —publicado en la revista Chemical Engineering Journal— demuestra que en óxidos de litio-manganeso (compuestos LMO) existe un comportamiento de liberación de litio que depende de la relación Li/Mn (litio/manganeso).

Como parte del trabajo, los investigadores prepararon por síntesis hidrotermal LMOs con diferentes relaciones Li/Mn, promoviendo la fase laminar rica en litio (Li₂MnO₃). Luego estudiaron la morfología, tamaño, cristalinidad, composición química y las propiedades superficiales de los nanocompuestos de LMO y de sus productos delitiados obtenidos tras la liberación. Finalmente llevaron a cabo cálculos teóricos para comprender el comportamiento de desorción de litio de las distintas fases cristalinas de LMO.

“Nuestro trabajo demuestra que el transporte del litio dentro de cada compuesto LMO puede explicar las diferencias en la eficiencia de liberación. En conjunto, los resultados indican que el proceso de liberación de litio en medio ácido es más fácil de alcanzar para un LMO con una fase cristalina espinela que en fase laminar. Esto sugiere que es necesaria una caracterización exhaustiva de los materiales precursores de compuestos para la retención del ion litio con la finalidad de seleccionar un proceso de liberación adecuado para cada fase cristalina de LMO”.

“Si las diferencias no se tienen en cuenta en el diseño del proceso de liberación de nanocompuestos LMO —detallan los autores—, pueden darse consecuencias negativas para la aplicación práctica de estos materiales. Por ejemplo, podría desestabilizarse la estructura cristalina en los LMO de tipo espinela, o reducirse la capacidad de adsorción en los LMO ricos en litio debido a la liberación infructuosa de Li del nanocomposito”.

Desafíos industriales

El proceso tradicional para extraer litio desde salmueras requiere una alta tasa de evaporación de agua, lo que lleva meses de evaporación y el uso intensivo de reactivos para purificar las salmueras, debido a la coexistencia de numerosos iones (sodio, potasio, calcio, boro, cloro, magnesio entre otros).

Uno de los mayores problemas industriales es la eliminación del sodio y magnesio. Debido a esto, las disoluciones procesadas deben ser recicladas o sometidas a procesos especiales de purificación con la finalidad de obtener compuestos de litio de alta pureza.

Por esta razón, se hace necesario contar con nuevas tecnologías capaces de afrontar los desafíos industriales, siendo la separación selectiva de litio desde salmueras uno de los puntos críticos del proceso.

En este sentido, la interacción entre la ciencia de materiales, nanotecnología y tecnología de procesos está conduciendo al desarrollo y aplicación de materiales avanzados, que poseen nuevas propiedades y que pueden sobrellevar las dificultades de los procesos convencionales de recuperación de litio desde salmueras.

En este contexto, los compuestos para la retención del ion litio (tamices de iones de litio, LIS) basados principalmente en óxidos de litio-manganeso (LMO) han cobrado gran interés debido a su alta capacidad de retención y selectividad para retener casi en exclusiva litio desde disoluciones acuosas con otros iones.

El paso clave en la formación de LIS es el proceso de liberación de litio desde la red cristalina del LMO. La liberación de litio deja sitios vacantes que actúan como trampas en el proceso de recuperación de litio desde soluciones acuosas.

Pese a la importancia del proceso de formación de LIS, este ha sido menos investigado que el proceso de carga de litio. En esta línea, existen algunos estudios que describen el proceso de liberación de litio en medios ácidos a partir de LMO con estructura cristalina tipo espinela. Sin embargo, no hay evidencia del proceso de desorción de litio de los LMO ricos en litio con estructura cristalina tipo laminar en medio ácido.

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Referencia bibliográfica:

Pulido, R., Naveas, N., J.Martín-Palma, R., Graber, T., Brito, I., Hernández-Montelongo, J., Manso Silván, M. 2022. Experimental and density functional theory study of the Li⁺ desorption in spinel/layered lithium manganese oxide nanocomposites using HCl. Chemical Engineering Journal 441, 136019.

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