A demanda por lítio aumentou consideravelmente nos últimos anos, à medida que as baterias de íon-lítio alimentam uma parcela cada vez maior dos nossos dispositivos. No entanto, mesmo com países como os EUA, a Europa e a Austrália possuindo abundantes recursos de lítio em seus territórios, a China domina o refino global desse mineral. O maior obstáculo para explorar as reservas de lítio dos EUA e da Austrália é extraí-lo de minerais de rocha dura em uma forma utilizável.

A extração de lítio de rochas duras hoje em dia é um processo que consome muita energia e gera muitos resíduos, sendo frequentemente muito mais caro do que a extração de lítio da água salobra, que também apresenta grandes desvantagens ambientais. Atualmente, a extração de lítio de rochas duras envolve o aquecimento da rocha a mais de 1.000 graus Celsius e a lixiviação química para extrair o lítio. O restante da rocha é descartado.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outras instituições desenvolveu um processo de baixa temperatura para extrair lítio de grau de pureza adequado para baterias a partir do tipo mais comum de mineral que contém lítio. O processo utiliza um reagente líquido para dissolver a rocha em suas formas constituintes úteis: não apenas sais de lítio prontos para uso em baterias, mas também alumina de grau de fundição e sílica pronta para a fabricação de cimento. Após a extração dos minerais, o solvente e o reagente podem ser recuperados e reutilizados, de modo que os níveis de resíduos se aproximam de zero.

Os pesquisadores estimam que o processo de circuito fechado custa metade do preço da extração tradicional de lítio em rocha dura e poderia torná-lo competitivo em termos de custo com a extração de lítio da água salobra.

Um artigo descrevendo o processo foi publicado hoje na revista Science . Os pesquisadores já começaram a comercializar a tecnologia por meio de uma empresa derivada do MIT, a Rock Zero.

“Até 2040, precisamos quadruplicar a produção global de lítio, o que equivale a centenas de novos ativos de produção de lítio”, afirma o autor Camden Hunt, ex-gerente de projetos do Centro de Eletrificação e Descarbonização da Indústria do MIT. “Rocha dura é abundante; você pode encontrá-la em todos os lugares. Mas a maior parte do refino de rocha dura é feita na China. Nossa tese central é que, se pudermos encontrar uma maneira mais fácil de fraturar a rocha, extrair o lítio e produzir sais de lítio de grau de bateria, poderemos mudar o mercado de lítio. Isso está alinhado com o recente impulso para a produção em território nacional de minerais críticos nos EUA.”

Além de Hunt, também participaram do artigo o ex-pós-doutorando do MIT Benjamin Mowbray; a candidata a doutorado Kalyn Fuelling; a aluna de graduação do MIT Jacqueline Prawira; Khashayar Jafari, ex-cientista pesquisador sênior da Sublime Systems, spin-off do MIT dedicada ao cimento verde; e Yet-Ming Chiang, professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Kyocera no MIT.

A pesquisa teve origem na reforma de um banheiro. Há cerca de 25 anos, enquanto Chiang ia a uma loja de materiais de construção em busca de algo que tornasse blocos de vidro transparente translúcidos, ele se deparou com um creme para gravação em vidro que funciona "corroendo" a superfície do vidro. O ingrediente ativo acabou sendo o fluoreto de amônio.

Mais recentemente, enquanto Chiang buscava maneiras de decompor quimicamente o mineral mais abundante em lítio, o espodumênio, ele se lembrou daquele creme de corrosão. O espodumênio, assim como o vidro, é composto principalmente de sílica. Os métodos convencionais de extração de metais de minérios, baseados em química, dissolvem preferencialmente os elementos mais reativos e deixam um resíduo rico em sílica devido à força das ligações silício-oxigênio. Ao projetar seu processo para usar uma mistura de água e fluoreto de amônio, os pesquisadores conseguem dissolver a sílica primeiro, revertendo o processo.

Os pesquisadores demonstraram que conseguiam dissolver rocha de espodumênio à temperatura ambiente, o que representou um avanço em relação aos processos tradicionais que exigem calor extremo. Mas esse foi apenas o primeiro passo para um sistema de circuito fechado que produzisse materiais úteis.

“Dissolver sílica é a parte mais difícil na mineração”, diz Mowbray. “A próxima questão foi como aplicar isso a problemas de processamento mineral que impactam o resultado final?”

O mineral espodumênio é composto principalmente por três elementos: lítio, alumínio e sílica. Mowbray e Hunt, ambos doutores em química, começaram a explorar maneiras de refinar esses componentes separadamente após sua quebra na solução de fluoreto de amônio.

Primeiramente, os pesquisadores isolaram o fluoreto de lítio, um insumo útil para materiais eletrolíticos comuns usados em baterias. Chiang, que fundou diversas empresas de baterias ao longo de sua carreira de várias décadas no MIT, perguntou então à equipe de pesquisa se eles poderiam isolar o hidróxido de lítio e o carbonato de lítio, dois sais de lítio úteis para a fabricação de cátodos de baterias. Os pesquisadores retornaram ao laboratório e descobriram que podiam produzir ambos desenvolvendo novos processos, alguns dos quais envolviam a adição de dióxido de carbono ou carbonato de sódio. Chiang desafiou a equipe de pesquisa com uma tarefa semelhante para a parte de alumínio da rocha, que foi isolada usando uma técnica de separação em alta temperatura, e depois para a sílica, que foi isolada por precipitação.

“Primeiro, nosso objetivo era produzir esses produtos. Depois, houve etapas adicionais para caracterizar sua pureza e propriedades e garantir que eles atendessem às especificações dos mercados-alvo”, explica Mowbray. “Para os sais de lítio, identificamos as especificações de pureza para carbonato de lítio de grau de bateria, o sal de lítio mais utilizado. Para a sílica, queríamos que ela fosse usada como aditivo para cimento, então fizemos testes de reatividade com cimento e, por fim, criamos cubos de cimento a partir dela para testes de resistência usando métodos industriais. Para o alumínio, nosso objetivo era o alumínio de grau de fundição. Se algum produto não atendesse às especificações, acabaríamos com um fluxo de resíduos.”

Os pesquisadores desenvolveram então um processo para reutilizar o fluoreto de amônio e a água que inicia a reação.

“Conseguimos dissolver a rocha com o espodumênio, o que libera todos os elementos, incluindo o alumínio e o lítio”, diz Chiang. “A sílica está na solução, mas no processo de formação do fluoreto de amônio, o gás amônia também é liberado. Se esse gás amônia for reaplicado, ele precipita a sílica novamente. Essa sequência nos dá de volta o fluoreto de amônio inicial. É por isso que é um processo circular.”

Os pesquisadores processaram com sucesso 17 fontes diferentes de rochas de espodumênio, demonstrando sua ampla aplicabilidade em rochas de todo o mundo.

“Você já ouviu falar em aproveitar o animal por completo?”, pergunta Chiang. “Nós chamamos isso de mineração do focinho ao rabo. Nossos pesquisadores vieram ao MIT em busca de problemas impactantes para trabalhar na área da sustentabilidade. Com as habilidades que eles possuem, foi só uma questão de deixá-los trabalhar nesse problema. Passamos por todas as etapas e, para cada uma delas, eu simplesmente perguntava: 'Vocês conseguem fazer o próximo passo?'. E uma ou duas semanas depois, eles respondiam: 'Ok, mostramos que conseguimos fazer isso'. Foi assim que todo esse processo se desenvolveu.”

Chiang desafiou ainda sua equipe de pesquisa a avaliar a viabilidade comercial de seu novo sistema.

“Assim que definimos essas operações principais, Yet nos incentivou a fazer alguns cálculos”, explica Mowbray. “Existe espodumênio suficiente no mundo para suprir 100 terawatts-hora de produção de baterias? A questão seguinte foi: se todo o mundo fosse abastecido com esse processo, quais seriam os volumes dos coprodutos? Eles corresponderiam aos mercados globais de commodities? Então começamos a analisar o custo dos reagentes, o custo da energia, o custo dos equipamentos. Começamos a nos convencer de que isso poderia ter um grande impacto.”

A obra tem um significado especial para Mowbray, que cresceu em uma cidade histórica de mineração na zona rural da Colúmbia Britânica.

Os pesquisadores trabalharam com o Escritório de Licenciamento de Tecnologia do MIT para criar sua empresa, a Rock Zero, que agora está localizada no The Engine e ampliando o sistema.

“Acreditamos que essa abordagem seja a maneira mais econômica e eficiente de extrair lítio, não apenas de rochas duras, mas de qualquer material”, diz Chiang. “É isso que nos motiva a expandir o projeto. Ele viabilizará a transição energética por meio de baterias que utilizam lítio. Esse era um dos objetivos do Projeto Clima do MIT: trabalhar em projetos que, em poucos anos, pudessem sair do laboratório e chegar à comercialização e ao impacto ambiental.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Energia (ARPA-E) do Departamento de Energia, pelo programa Desafios Climáticos do MIT e pela Fundação Nacional de Ciência. O trabalho utilizou as instalações do MIT.nano.