Как новый процесс добычи может раскрыть мировые запасы лития

Ученые объявили об открытии нового метода извлечения лития – важнейшего металла, используемого в литий-ионных аккумуляторах для электромобилей и систем накопления энергии. Эта инновационная технология обещает быть более экологичной и экономически выгодной по сравнению с существующими подходами.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science. Стартап Rock Zero уже занимается коммерциализацией этого процесса.

«Мы считаем, что в промышленных масштабах это станет самым дешевым способом получения лития в мире», — заявил Йет-Мин Чианг, один из авторов исследования, профессор Массачусетского технологического института и серийный предприниматель, стоявший за такими климатическими технологическими компаниями, как Form Energy и Addis Energy.

В настоящее время наиболее экономичным способом добычи лития является извлечение его из рассолов — соленой воды, которая вымывала металл из горных пород на протяжении тысячелетий. Однако этот метод географически ограничен и требует огромных площадей для гигантских испарительных бассейнов. Более распространенная тактика — это добыча из твердых пород, при которой крупные залежи руды взрывают, обжигают при высоких температурах и обрабатывают с использованием опасных химикатов.

Новый метод исследователей использует слабую кислоту для растворения обычно нереактивных силикатных минералов. Это позволяет извлекать не только литий, но и другие полезные материалы, такие как оксид алюминия (глинозем) и диоксид кремния (кремнезем).

История этого исследования и возникшей в результате компании началась с другого стартапа, основанного Чиангом, Sublime Systems, который производит цемент с использованием электрохимии.

Команда искала источник высокореактивного диоксида кремния для производства более прочного цемента. Один из способов получения реактивных материалов, способных легко связываться с другими, заключается в растворении нереактивного материала с последующим его отвердеванием в более реактивной форме. Растворить силикаты возможно, но наиболее известный способ — использование плавиковой кислоты, чрезвычайно опасного химического вещества. Другие фторсодержащие химикаты также рассматривались, но некоторые из них образуют плавиковую кислоту в качестве побочного продукта реакций.

Чианг черпал вдохновение из предыдущего проекта по ремонту дома, связанного со стеклом, которое состоит из диоксида кремния. «Около 25 лет назад я ремонтировал душевую в Фрамингеме, штат Массачусетс, — вспоминает он. — Поэтому, когда мы начали этот проект, я вспомнил крем для травления стекла и подумал: «Что в нем содержится?»»

Крем для травления стекла, который он вспомнил и который можно найти в любом магазине товаров для рукоделия или ремонта, содержит фторид аммония — слабую кислоту. Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что в правильных условиях он может эффективно растворять силикатные минералы без образования плавиковой кислоты в процессе.

Эта химия может быть полезна для любых силикатных минералов, которых существует великое множество. Однако сподумен, минерал, часто добываемый для получения лития, стал основной первой целью. (Чианг отмечает, что предложение Дуга Уикса, одного из консультантов компании и бывшего сотрудника ARPA-E, направило команду в сторону сподумена).

На изображении представлены (слева направо): сподумен, диоксид кремния, оксид алюминия и соли лития.

Сегодня ключевым этапом в переработке сподуменовой руды является ее обжиг в печи при сверхвысоких температурах. Это вызывает фазовое превращение, по сути, «вздувая» материал и делая литий более доступным.

Избегая необходимости достигать таких температур, можно сэкономить на энергозатратах и потенциально сократить выбросы углекислого газа, отмечает Камден Хант, один из авторов исследования, генеральный директор и соучредитель Rock Zero.

Отказ от обжига в печи также открывает возможность использования некоторых руд, которые не поддаются правильному обжигу, добавляет Хант. Руда с избыточным содержанием железа не пройдет фазовое превращение должным образом, вместо этого расплавившись и превратившись в стекловидный материал.

Новый процесс осуществляется в простых перемешиваемых пластиковых резервуарах при температурах до 95 °C. Фторид аммония растворяет силикаты, что в ранних экспериментах позволило извлечь почти весь литий из сподуменовой руды в течение нескольких дней. С тех пор исследователи сократили это время до менее 12 часов, сообщает Бенджамин Моубрей, первый автор исследования, технический директор и соучредитель Rock Zero.

Получаемые продукты (после дополнительных этапов очистки) включают карбонат лития, используемый для производства аккумуляторов; оксид алюминия (глинозем), который можно переработать в алюминий; и цементирующий диоксид кремния, пригодный для добавления в бетон. При этом кислота может быть повторно использована в замкнутом цикле.

Чианг называет это «комплексной» добычей — использованием каждой части добытой руды, подобно использованию всех частей разделанного животного.

В настоящее время исследователи работают над масштабированием и оптимизацией процесса. Лабораторные резервуары в Кембридже, штат Массачусетс, могут обрабатывать по три килограмма сподуменового концентрата за партию.

Они также оценили стоимость этого процесса после полного масштабирования. Предполагая высокую степень переработки фторида аммония, они смогут извлекать литий по цене менее 6000 долларов за метрическую тонну. (В качестве альтернативы переработке они также нашли потенциальный дешевый промышленный источник кислоты).

Общая стоимость, по прогнозам, будет ниже, чем у других процессов, используемых сегодня для извлечения лития из твердых пород, и может быть конкурентоспособной с добычей из рассолов.

Команда разработала проект пилотной установки и ищет место для ее строительства. Планируется завершить строительство к концу 2026 года и начать эксплуатацию объекта в 2027 году. Ведутся переговоры с потенциальными партнерами в горнодобывающей отрасли.

Одной из трудностей для новых игроков в сфере добычи лития является волатильность рынка: цены пережили огромные колебания в последние годы, от пика в 2022 году до минимумов в конце 2024 года и медленного роста, начавшегося в начале 2026 года.

Растущие цены могут принести выгоду новым игрокам, таким как Rock Zero, но существует множество проектов, которые могут быть запущены, если цены продолжат расти, что, в свою очередь, может снова обрушить рынок, отмечает Саймон Джоуитт, заведующий кафедрой разведочной геологии в Университете Невады, Рено. «Люди ждут, что произойдет с ценой на литий, — говорит он. — Это переполненный рынок, и на нем есть крупные игроки».

И хотя аккумуляторы стимулируют спрос на литий, рынок все еще относительно невелик, добавляет Джоуитт: «Это означает, что он будет волатильным». Новые технологии извлечения лития, подобные той, что предлагает Rock Zero, должны будут конкурировать с методами, используемыми существующими гигантами, а также существует вероятность того, что технологические альтернативы, такие как натрий-ионные аккумуляторы, не требующие лития, могут усложнить навигацию на рынке, говорит Джоуитт. Он также считает, что некоторые экономические оценки компании могут быть слишком оптимистичными.

Со своей стороны, команда Rock Zero надеется не только масштабировать эту технологию для добычи лития, но и использовать ее для других минералов в будущем. Как заявляет Моубрей: «Земная кора состоит из силикатов».