Technologie de membrane révolutionnaire extrait le lithium de l'eau

Laboratoire National d'Argonne, Lemont, IL, et Université de Chicago, IL

Cellule en H pour étudier le comportement de transport membranaire — une moitié a un mélange d'eau salée (liquide bleu), l'autre montre le résultat après séparation membranaire (liquide clair). De gauche à droite : Seth Darling et Yining Liu. (Image : Laboratoire National d'Argonne)

Le lithium, le métal le plus léger du tableau périodique, joue un rôle pivot dans la vie moderne. Son faible poids et sa haute densité d'énergie le rendent idéal pour les véhicules électriques, téléphones portables, ordinateurs portables et technologies militaires où chaque once compte. Alors que la demande de lithium explose, les inquiétudes sur l'approvisionnement et la fiabilité grandissent.

Pour aider à répondre à la demande croissante et aux possibles problèmes de chaîne d'approvisionnement, des scientifiques du Laboratoire National d'Argonne du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont développé une technologie de membrane innovante qui extrait efficacement le lithium de l'eau. Plusieurs membres de l'équipe détiennent également des nominations conjointes avec l'École d'Ingénierie Moléculaire Pritzker (PME) de l'Université de Chicago.

« La nouvelle membrane que nous avons développée offre une alternative potentielle à faible coût et abondante pour l'extraction de lithium ici chez nous », a déclaré Seth Darling, Directeur Scientifique et Technologique en Chef pour la direction des Technologies Énergétiques Avancées d'Argonne. Il est aussi Directeur du Centre de Recherche Frontière en Énergie Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) à Argonne et Scientifique Senior PME.

Actuellement, la majeure partie du lithium mondial provient de l'exploitation minière de roche dure et de lacs salés dans seulement quelques pays, laissant les chaînes d'approvisionnement vulnérables aux perturbations. Pourtant, la majeure partie du lithium de la Terre est en fait dissoute dans l'eau de mer et les réserves d'eau salée souterraines. Le problème ? L'extraire de ces sources non conventionnelles a été prohibitivement cher, énergivore et inefficace. Les méthodes traditionnelles peinent à séparer le lithium d'autres éléments plus abondants comme le sodium et le magnésium.

Dans l'eau salée, le lithium et d'autres éléments existent sous forme de cations. Ce sont des atomes qui ont perdu un ou plusieurs électrons, leur donnant une charge électrique positive. La clé d'une extraction efficace du lithium réside dans le filtrage des autres cations basé à la fois sur la taille et le degré de charge.

Structure atomique de la membrane de vermiculite montrant des couches 2D supportées par des piliers d'oxyde d'aluminium. Boules jaunes : ions sodium dopés. (Image : Laboratoire National d'Argonne)

La nouvelle membrane offre une solution prometteuse à faible coût. Elle est faite de vermiculite, une argile naturellement abondante qui coûte seulement environ 350 $ la tonne. L'équipe a développé un processus pour séparer l'argile en couches ultraminces — juste un milliardième de mètre d'épaisseur — et les restacker pour former une sorte de filtre. Ces couches sont si minces qu'elles sont considérées comme 2D.

Mais il y avait un hic : non traitée, les couches d'argile s'effondrent dans l'eau en moins d'une demi-heure en raison de leur forte affinité pour elle.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont inséré des piliers microscopiques d'oxyde d'aluminium entre les couches, donnant à la structure l'apparence d'un parking de grande hauteur en construction — avec de nombreux piliers solides tenant chaque « étage » en place. Cette architecture empêche l'effondrement tout en neutralisant la charge de surface négative de la membrane, une étape cruciale pour les modifications subséquentes.

Ensuite, des cations de sodium ont été introduits dans la membrane, où ils se sont installés autour des piliers d'oxyde d'aluminium. Cela a changé la charge de surface de la membrane de neutre à positive. Dans l'eau, les ions magnésium et lithium portent tous deux une charge positive, mais les ions magnésium portent une charge plus élevée (+2) comparé au lithium (+1). La surface positivement chargée de la membrane repousse les ions magnésium plus fortement qu'elle ne repousse les ions lithium. Cette différence permet à la membrane de capturer les ions lithium plus facilement tout en gardant les ions magnésium à l'extérieur.

Pour affiner davantage la performance, l'équipe a ajouté encore plus d'ions sodium. Cela a diminué la taille des pores de la membrane. Le résultat est que la membrane permet aux ions plus petits comme le sodium et le potassium de passer à travers tout en capturant les ions lithium plus grands.

« En filtrant à la fois par taille d'ion et charge, notre membrane peut extraire le lithium de l'eau avec une efficacité bien plus grande », a déclaré le premier auteur Yining Liu, doctorante à UChicago et membre de l'équipe AMEWS. « Une telle membrane pourrait réduire notre dépendance aux fournisseurs étrangers et ouvrir la porte à de nouvelles réserves de lithium dans des endroits que nous n'avions jamais envisagés. »

Les chercheurs croient que cette percée pourrait avoir des applications plus larges, de la récupération d'autres matériaux clés comme le nickel, le cobalt et les éléments de terres rares, à l'élimination de contaminants nocifs des approvisionnements en eau.

« Il y a de nombreux types de ce matériau argileux », a dit Liu. « Nous explorons comment il pourrait aider à collecter des éléments critiques de l'eau de mer et des saumures de lacs salés ou même aider à nettoyer notre eau potable. »

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