Một quy trình khai thác mới có thể mở khóa nguồn lithium toàn cầu

Các nhà nghiên cứu cho biết họ đã tìm ra một phương pháp mới để chiết xuất lithium, một kim loại quan trọng được sử dụng trong pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng. Kỹ thuật mới này có thể thân thiện với môi trường hơn và rẻ hơn so với các phương pháp hiện có. Nghiên cứu đã được công bố hôm nay trên tạp chí Science, và một công ty khởi nghiệp có tên Rock Zero đang nỗ lực thương mại hóa quy trình này. Ông Yet-Ming Chiang, một trong những tác giả của nghiên cứu, đồng thời là giáo sư tại MIT và là một doanh nhân nối tiếp đứng sau các công ty công nghệ khí hậu bao gồm Form Energy và Addis Energy, cho biết: “Ở quy mô lớn, chúng tôi tin rằng đây sẽ là cách khai thác lithium có chi phí thấp nhất trên thế giới”. Cách kinh tế nhất để thu được lithium hiện nay là chiết xuất từ nước muối, loại nước mặn đã kéo kim loại ra khỏi đá trong hàng thiên niên kỷ. Tuy nhiên, kỹ thuật này bị giới hạn về mặt địa lý và hiện yêu cầu những khu đất rộng lớn cho các hồ bay hơi khổng lồ. Phương pháp phổ biến hơn là khai thác đá cứng, nơi các khối quặng lớn được nổ tung, nung ở nhiệt độ cao và xử lý bằng hóa chất nguy hiểm. Phương pháp mới của các nhà nghiên cứu sử dụng một axit yếu để hòa tan các khoáng chất silicat thường không phản ứng. Điều này không chỉ giải phóng lithium mà còn các vật liệu hữu ích khác, bao gồm alumina và silica. Câu chuyện khởi nguồn của nghiên cứu này và công ty được thành lập sau đó, đến từ một công ty khởi nghiệp khác do ông Chiang thành lập, Sublime Systems, chuyên sản xuất xi măng bằng phương pháp điện hóa. Nhóm nghiên cứu đang cố gắng tìm một nguồn silica có khả năng phản ứng cao để tạo ra xi măng bền hơn. Một cách để tạo ra các vật liệu phản ứng, có thể liên kết dễ dàng với các vật liệu khác, là lấy một vật liệu không phản ứng, hòa tan nó, và sau đó cho phép nó trở thành chất rắn ở dạng phản ứng hơn. Không phải là không thể hòa tan silicat, nhưng cách được biết đến nhiều nhất là sử dụng axit hydrofluoric, một hóa chất cực kỳ nguy hiểm. Các hóa chất chứa flo khác cũng là ứng cử viên, nhưng một số sẽ tạo ra axit hydrofluoric như một sản phẩm phụ trong quá trình phản ứng. Ông Chiang đã lấy cảm hứng từ một dự án cải tạo nhà trước đây liên quan đến kính, được làm từ silica. Ông nói: “Tôi đang sửa sang một phòng tắm ở Framingham, Massachusetts, khoảng 25 năm trước. Vì vậy, khi chúng tôi bắt đầu dự án này, tôi nhớ đến kem khắc kính đó và nghĩ, ‘Trong đó có gì vậy?’”. Kem khắc kính mà ông nhớ, có thể tìm thấy trên kệ ở bất kỳ cửa hàng thủ công hoặc cửa hàng cải thiện nhà nào, sử dụng amoni florua, một axit yếu. Và các nhà nghiên cứu MIT đã phát hiện ra rằng trong điều kiện thích hợp, nó có thể hòa tan hiệu quả các khoáng chất silicat mà không tạo ra axit hydrofluoric trong quá trình này. Hóa học này có thể hữu ích cho bất kỳ khoáng chất silicat nào – và có rất nhiều loại. Nhưng spodumene, khoáng chất thường được khai thác để lấy lithium, đã trở thành mục tiêu ưu tiên hàng đầu. (Ông Chiang cho biết một gợi ý từ Doug Wicks, một trong những cố vấn của công ty và là cựu quan chức ARPA-E, đã hướng nhóm nghiên cứu đến spodumene.) Từ trái sang phải: spodumene, silica, alumina và muối lithium. ROCK ZERO Ngày nay, một bước quan trọng trong việc xử lý quặng spodumene là nung nó trong lò nung ở nhiệt độ cực cao. Điều này gây ra sự chuyển pha, về cơ bản làm phồng vật liệu và giúp lithium dễ tiếp cận hơn. Ông Camden Hunt, một trong những tác giả của nghiên cứu và là Giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập của Rock Zero, cho biết: “Bằng cách tránh nhu cầu đạt đến những nhiệt độ này, bạn có thể tiết kiệm chi phí năng lượng và có khả năng giảm lượng khí thải carbon”. Ông Hunt cho biết thêm, việc tránh nung cũng có thể mở ra khả năng sử dụng một số loại quặng không thể nung đúng cách. Quặng chứa quá nhiều sắt sẽ không trải qua quá trình chuyển pha chính xác, thay vào đó sẽ nóng chảy và biến thành vật liệu thủy tinh. Quy trình mới dựa trên các bể nhựa khuấy đơn giản và diễn ra ở nhiệt độ lên tới khoảng 95 °C (200 °F). Amoni florua hòa tan silicat, trong các thí nghiệm trước đó đã cho phép gần như toàn bộ lithium bên trong quặng spodumene được chiết xuất trong vòng vài ngày. Các nhà nghiên cứu đã rút ngắn thời gian này xuống dưới 12 giờ, theo ông Benjamin Mowbray, tác giả chính của nghiên cứu, CTO và đồng sáng lập của Rock Zero. Các sản phẩm (sau một số bước bổ sung để làm sạch) là lithium cacbonat, có thể được sử dụng để sản xuất pin; alumina, có thể đưa vào lò luyện để sản xuất nhôm; và silica xi măng, có thể thêm vào bê tông. Và axit có thể được tái sử dụng trong cùng một chu trình. Ông Chiang gọi đây là khai thác “từ đầu đến đuôi” – sử dụng mọi phần của quặng được cung cấp, giống như ăn mọi phần của một con vật đã được xẻ thịt. Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực mở rộng và tối ưu hóa quy trình. Các bể trong phòng thí nghiệm ở Cambridge, Massachusetts có thể xử lý ba kilôgam tinh quặng spodumene trong mỗi mẻ. Họ cũng đã ước tính chi phí của quy trình này sau khi được mở rộng hoàn toàn. Giả sử amoni florua có thể được tái chế ở mức độ cao, họ sẽ có thể chiết xuất lithium với chi phí dưới 6.000 USD/tấn. (Họ cũng đã xác định một nguồn axit công nghiệp tiềm năng rẻ tiền, như một giải pháp thay thế cho việc tái chế). Tổng chi phí dự kiến sẽ thấp hơn so với các quy trình khác được sử dụng để chiết xuất lithium từ quặng đá cứng hiện nay, và nó có thể cạnh tranh với nước muối. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một nhà máy thí điểm và đang tìm kiếm không gian để xây dựng. Kế hoạch là hoàn thành việc xây dựng vào cuối năm 2026 và bắt đầu vận hành cơ sở vào năm 2027. Các cuộc đàm phán đang được tiến hành với các đối tác tiềm năng trong ngành khai thác mỏ. Một khó khăn đối với các nhà khai thác lithium mới là sự biến động của thị trường: Giá đã chứng kiến những biến động lớn trong những năm gần đây, từ đỉnh điểm vào năm 2022 đến mức thấp vào cuối năm 2024 và tăng chậm trở lại vào đầu năm 2026. Giá tăng có thể mang lại lợi ích cho các nhà khai thác mới như Rock Zero, nhưng có nhiều dự án có thể đi vào hoạt động nếu giá tiếp tục tăng, và điều đó có thể khiến thị trường giảm trở lại, theo ông Simon Jowitt, Chủ tịch Địa chất thăm dò tại Đại học Nevada, Reno. Ông nói: “Mọi người đang chờ xem điều gì sẽ xảy ra với giá lithium. Thị trường đang rất đông đúc”.