Investigadores del MIT desarrollan una técnica de bajo coste para extraer litio de las rocas

En la actualidad, la extracción de litio de rocas duras es un proceso que requiere mucha energía y residuos y que suele ser mucho más caro que la obtención de litio a partir de agua salada, que también presenta importantes inconvenientes medioambientales. Actualmente, la extracción de litio de roca dura implica cocer la roca a más de 1.000 grados Celsius y lixiviarla químicamente para extraer el litio. El resto de la roca se desecha.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y de otros centros ha desarrollado un proceso a baja temperatura para extraer litio apto para baterías a partir del tipo más común de mineral que contiene litio. El proceso utiliza un reactivo líquido para disolver la roca en las formas útiles de sus componentes: no sólo sales de litio aptas para pilas, sino también alúmina apta para fundición y sílice apta para cemento. Una vez extraídos los minerales, el disolvente y el reactivo pueden recuperarse y volver a utilizarse, con lo que el nivel de residuos se aproxima a cero.

Los investigadores calculan que el proceso de circuito cerrado cuesta la mitad que la extracción tradicional de litio de roca dura y podría competir en costes con la extracción de litio de agua salobre.

Un artículo que describe el proceso se publicó en Science. Los investigadores ya han empezado a comercializar la tecnología a través de una spinout del MIT, Rock Zero.

"Para 2040, tenemos que cuadruplicar la producción mundial de litio, lo que supone cientos de nuevos activos de producción de litio", afirma el autor Camden Hunt, antiguo director de proyectos del Centro de Electrificación y Descarbonización de la Industria del MIT. "La roca dura es abundante; se puede encontrar en todas partes. Pero la mayor parte del refinado de roca dura se hace en China. Nuestra tesis central es que si se encuentra una forma más fácil de romper la roca, extraer el litio y fabricar sales de litio aptas para baterías, se puede cambiar el mercado del litio". Coincide con el reciente impulso a la producción en tierra de minerales críticos en Estados Unidos".

Junto a Hunt colaboran en el artículo el ex postdoctorando del MIT Benjamin Mowbray; la doctoranda Kalyn Fuelling; la estudiante del MIT Jacqueline Prawira; Khashayar Jafari, ex investigador científico de la spinout de cemento verde del MIT Sublime Systems; y Yet-Ming Chiang, catedrático Kyocera de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

Del baño a la batería

La investigación tiene su origen en la reforma de un cuarto de baño. Hace unos 25 años, Chiang fue a una ferretería en busca de algo que pudiera volver translúcidos los bloques de vidrio transparente y se topó con una crema para grabar vidrio que funciona "comiéndose" la superficie del vidrio. El ingrediente activo resultó ser fluoruro de amonio.

Más recientemente, mientras Chiang buscaba formas de descomponer químicamente el mineral más abundante en litio, el espodumeno, se acordó de aquella crema grabadora. El espodumeno, como el vidrio, está formado principalmente por sílice. Los métodos químicos convencionales para extraer metales de los minerales disuelven preferentemente los elementos más reactivos y dejan un residuo rico en sílice debido a la fuerza de los enlaces silicio-oxígeno. Al diseñar su proceso para utilizar una mezcla de agua y fluoruro de amonio, los investigadores consiguen disolver primero la sílice, invirtiendo el proceso.

Los investigadores demostraron que podían disolver la roca de espodumeno a temperatura ambiente, lo que representaba un gran avance respecto a los procesos tradicionales que requerían calor extremo. Pero no era más que el primer paso hacia un sistema de circuito cerrado que produjera materiales útiles.

"Disolver el sílice es la parte difícil de la minería", explica Mowbray. "La siguiente pregunta era cómo aplicarlo a problemas impactantes de procesamiento de minerales".

El mineral espodumeno se compone principalmente de tres elementos: litio, aluminio y sílice. Mowbray y Hunt, ambos doctores en química, empezaron a explorar formas de refinar esos componentes por separado una vez disgregados en la solución de fluoruro de amonio.

En primer lugar, los investigadores aislaron el fluoruro de litio, un insumo útil para los materiales electrolíticos habituales en las baterías. Chiang, que ha fundado varias empresas de baterías a lo largo de su carrera de varias décadas en el MIT, preguntó a continuación al equipo de investigación 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 fabricar ambos mediante nuevos procesos, algunos de los cuales implicaban añadir dióxido de carbono o carbonato sódico. Chiang encargó al equipo de investigación un reto similar para la parte de aluminio de la roca, que se aisló mediante una técnica de separación a alta temperatura, y después para la sílice, que se aisló por precipitación.

"En primer lugar, nuestro objetivo era fabricar estos productos y, a continuación, había que caracterizar su pureza y propiedades y asegurarnos de que cumplían las especificaciones de los mercados de destino", explica Mowbray. "En el caso de las sales de litio, identificamos las especificaciones de pureza del carbonato de litio para baterías, la sal de litio más utilizada. En cuanto a la sílice, queríamos que se utilizara como aditivo del cemento, así que hicimos pruebas de reactividad del cemento y, finalmente, creamos cubos de cemento con ella para probar su resistencia con métodos industriales. En cuanto al aluminio, nos centramos en el aluminio de fundición. Si algún producto no cumplía las especificaciones, acababa siendo un residuo".

Los investigadores desarrollaron entonces un proceso para reutilizar el fluoruro de amonio y el agua que inicia la reacción.

"Podemos disolver la roca con la espodumena y liberar todos los elementos, incluidos el aluminio y el litio", explica Chiang. "El sílice está en la solución, pero en el camino hacia la fabricación de fluoruro de amonio también se desprende gas amoniaco. Si se vuelve a aplicar ese gas de amoníaco, precipita de nuevo la sílice. Esa secuencia nos devuelve el fluoruro de amonio inicial. Por eso es un proceso circular".

Los investigadores procesaron con éxito 17 fuentes de roca de espodumeno diferentes, lo que demuestra su amplia aplicabilidad utilizando rocas de todo el mundo.

"¿Has oído hablar de la alimentación nariz-cola?" dice Chiang. "Nosotros nos referimos a esto como minería de nariz a cola. Nuestros investigadores vinieron al MIT en busca de problemas de impacto en los que trabajar en sostenibilidad. Con sus conocimientos, sólo había que ponerlos a trabajar en este problema. Pasamos por todos estos pasos, y a cada uno le decía: "¿Puedes dar el siguiente paso? Y una semana o dos después decían: "Vale, hemos demostrado que podemos hacerlo". Así se construyó todo el proceso".

Ampliar el proceso

Chiang animó a su equipo de investigación a evaluar la viabilidad comercial de su nuevo sistema.

"Una vez que tuvimos resueltas estas operaciones básicas, Yet nos animó a hacer cuentas", explica Mowbray. "¿Hay suficiente espodumeno en el mundo para suministrar 100 terrawatios hora de producción de baterías? La respuesta fue: Si se abastecen todas las baterías del mundo con este proceso, ¿cuáles son los volúmenes de los coproductos? ¿Coinciden con los mercados mundiales de materias primas? Entonces empezamos a estudiar el coste de los reactivos, el coste de la energía y los equipos. Empezamos a convencernos de que esto podría tener un gran impacto".

El trabajo tiene un significado especial para Mowbray, que 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, Rock Zero, que ahora se encuentra en The Engine y está ampliando el sistema.

"Creemos que este método es el más barato y el que menos energía consume para extraer litio no sólo de la roca dura, sino de todo el mundo", afirma Chiang. "Eso es lo que nos motiva a ampliarlo. Permitirá la transición energética mediante baterías que utilizan litio". Éste era uno de los objetivos del Proyecto Clima del MIT: trabajar en proyectos que, en pocos años, pudieran pasar del laboratorio a la comercialización y tener impacto".