Mayor demanda de baterías de litio para impulsar el desarrollo de tecnología

Desarrollo continuo de procesos y equipos

Un efecto secundario de la creciente demanda de litio es la tendencia de las empresas mineras a apresurarse a cotizar. "En los próximos años, algunas compañías extraer carbonato de litio en línea a partir del litio piroxeno mineral Su peso es por lo general alrededor de 8 <UNK> Li2O para satisfacer la demanda, es fácil empezar,.." Jenike & Johanson (Tyngsboro, Massachusetts; Proyecto ingeniero Josh Marion en www.jenike.com. Este impacto, combinado con el alto valor del litio y sus propiedades físicas específicas, enfatiza la importancia de un diseño adecuado en todas las etapas del procesamiento del litio, desde la extracción inicial hasta el paso final de refinación. tratando de lograr una base ideal de pureza, granularidad y densidad del producto, esto obliga al procesador a abordar los sólidos a granel de nuevas formas. "Muchos requisitos de procesamiento pueden parecerse más a la producción farmacéutica que al procesamiento tradicional de minerales. Existen altos requisitos para la calidad del material de fabricantes de baterías. Si no existe un tratamiento sólido confiable, no se puede lograr la consistencia requerida del producto ", explicó Marion.

Algunos de los principales problemas operativos que experimentan los procesadores de litio incluyen la aglomeración, la acumulación y la detención del tráfico. Para extraer litio del mineral de piroxeno de litio después de la extracción, el mineral debe pasar por una serie de pasos de trituración y clasificación de granularidad para generar el mineral de granularidad deseado. Luego, el concentrado se envía a la planta de enriquecimiento, donde se seca, muele, separa, deshidrata y luego se granula para producir un concentrado de piroxeno de litio. Luego, el concentrado ingresa a la planta de procesamiento para la calcinación, agregando varias soluciones acuosas, ácidos y otros químicos para extraer diferentes impurezas como hierro, aluminio, silicio y magnesio. Finalmente, la torta de filtración húmeda se cristaliza y se seca en productos de hidróxido de litio (LiOH) o carbonato de litio (Li2CO3). Especialmente en el proceso de litio en torta de filtración húmeda, si no tiene suficientes secadores o el equipo de procesamiento no está diseñado para manejar materiales ligeramente húmedos, entonces generalmente se acumula litio y bloques de litio en toda la fábrica. Y debido a la higroscopicidad de sales de litio, incluso cuando el material está seco, puede absorber humedad y apelmazar ", dijo Marion. Hizo hincapié en que la atención al detalle durante la fase de diseño del equipo era esencial para evitar estos cuellos de botella y garantizar la coherencia en la calidad del producto. "Al seleccionar y diseñar equipos, es importante asegurarse de que se consideren las características del material de cada etapa del proceso", agregó.

Con el desarrollo de los requisitos de rendimiento de LIB, los fabricantes de equipos están desarrollando nuevas tecnologías para cumplir con estos requisitos. "Ahora, los parámetros clave para los productores de litio son la pureza y la granularidad", GEAGroupAG (Dusseldorf, Alemania; Ananta Islam, directora de ventas de North American Chemicals, www.gea.com. La presencia de ciertas impurezas afecta directamente el rendimiento de la batería , por lo que los fabricantes de litio deben seguir un estricto estándar de pureza. "Los usuarios buscan niveles muy bajos de sodio, potasio, azufre y metales pesados en productos para baterías", explica ChristianMelches, gerente senior de ventas y tecnología de GEA. materiales de agua salada en América del Sur o minerales típicos de piroxeno de litio-litio en Canadá y Australia, estas impurezas suelen estar presentes en cantidades considerables. Para resolver el problema de pureza, GEA proporciona una unidad de cristalización (Figura 1) que se puede utilizar en combinación para optimizar la purificación. "La ventaja viene de saber cómo guiar el proceso a través del proceso en sí hasta unos pocos cristalizadores para obtener el producto más puro", dijo. otra consideración importante para los dispositivos de cristalización combinados es la eficiencia energética. Una medida de ahorro de energía es el uso de la recompresión mecánica del vapor del molde para producir el vapor utilizado para impulsar el proceso.

LiOH, la forma preferida de litio para la mayoría de los fabricantes de LIB actuales, requiere una distribución del tamaño de partícula extremadamente precisa, que requiere un dispositivo de secado por pulverización dedicado. Islam explicó que el rango de tamaño de partícula típico del secado por atomización tradicional puede ser de 40-50 μm, pero para el procesamiento de LiOH, el rango es de aproximadamente 5-7 μm. Para garantizar que el material cumpla con los requisitos, GEA desarrolla y patenta boquillas específicas para el procesamiento de litio (Figura 2). "Combi-Nozzle utiliza boquillas de alta presión y aire comprimido para la atomización secundaria para reducir aún más el tamaño de las partículas", dijo Islam. Los fabricantes de litio dijeron que la compactación correcta del polvo requiere menos granularidad, lo que afecta directamente el rendimiento del LIB. Según el Islam, esta boquilla especial fue desarrollada en base a la tecnología utilizada por la industria farmacéutica para el secado por atomización de partículas, que se utilizan para medicamentos inhalables que requieren partículas muy pequeñas.

Aunque el agua salada y el piroxeno de litio producen la mayor parte del litio actual, en los próximos años, debido a la alta demanda, se pueden generar otras fuentes. "Las compañías mineras están comenzando a invertir en reemplazar las fuentes de litio, por lo que es posible que los futuros equipos de procesamiento deban ajustarse para manejar más materias primas impuras", dijo Melches.

Con el fin de aumentar la utilización de recursos y reducir los costos LIB, están surgiendo tecnologías para introducir más flexibilidad de materia prima para diferentes preparaciones de litio y materias primas más bajas. NanoOne Materials Inc. (Vancouver, Columbia Británica, Canadá; www.nanoone.ca) ha desarrollado un proceso patentado para la fabricación de materiales de cátodos para varias baterías químicas. La Tabla 1 enumera los productos químicos LIB más comunes en el mercado, como NMC, NCA y LTO. A diferencia de las técnicas típicas de producción de cátodos de estado sólido, la tecnología de NanoOne se basa en soluciones. "El proceso basado en soluciones nos permite fabricar materiales de batería de forma más económica, y el proceso es muy flexible, por lo que se puede utilizar para hacer múltiples formulaciones de materiales de cátodos de litio", dijo Stephen Campbell, científico jefe de NanoOneMaterials. Y ... a medida que los fabricantes de baterías intentan optimizar la capacidad, la estabilidad y el costo de LIB, intentan reducir el contenido de cobalto mientras aumentan el contenido de níquel catódico. Para fabricar estos materiales con alto contenido de níquel, el LiOH es la materia prima de litio preferida, pero se ha vuelto cada vez más difícil y costoso de obtener. La tecnología de NanoOne puede usar LiOH o Li2CO3 más abundante y económico para fabricar materiales de cátodos, proporcionando a los fabricantes de Li2CO3 un enfoque más directo, evitando así la inversión en procesos costosos para convertir Li2CO3 en hidróxido de litio. "Podemos relajar la cadena de suministro mediante el uso de fuentes de litio que nadie más puede utilizar", dijo Campbell.

La tecnología de solución de NanoOne disuelve el litio en agua (en condiciones ambientales) con otros metales de transición, por lo que el tipo de litio es independiente: el LiOH y el Li2CO3 se tratan de la misma manera. El metal disuelto se precipita para producir un precursor cristalino con una estructura reticular ordenada de todos los metales catódicos existentes. Campbell dijo que esta estructura ordenada ayuda a lanzar más rápido en el horno. "Podemos lanzar el material en siete horas porque el metal se ha mezclado de manera ordenada. El método tradicional de trituración de litio con otros metales requiere difusión a larga distancia, que puede tardar entre 1 y 2 días en completarse", agregó. Otra ventaja Una de las características de la tecnología de NanoOne es que la uniformidad del cristal puede diluir las impurezas, lo que hace que el proceso sea más tolerante con las materias primas de baja calidad, lo que reduce aún más los costos operativos. NanoOne está probando actualmente muestras de litio de diferente pureza para evaluar la capacidad de la tecnología para hacer frente a diversas especies contaminadas. "Vemos que los efectos de ciertas impurezas no son tan malos como algunas personas piensan. Por ejemplo, el magnesio se puede utilizar como adulterante y, de hecho, puede mejorar el rendimiento ", explica Campbell". Actualmente, NanoOne puede producir materiales de cátodos en lotes de 300 kg en una planta piloto con una capacidad de hasta 1 tonelada por día. Recientemente, el equipo comenzó a enviar muestras de productos a organizaciones de terceros para su validación.

Recuperación de la batería

Las baterías usadas tienen una cantidad asombrosa de material de alta demanda y muchas organizaciones están trabajando para desarrollar tecnologías de reciclaje eficientes para aprovechar al máximo este recurso sin explotar. La Corporación de Manganeso de los Estados Unidos ha desarrollado un proceso para recuperar metales de cátodos (incluidos litio, cobalto, manganeso, níquel y aluminio) de las baterías de vehículos eléctricos (Figura 3). LarryReaugh, presidente y director ejecutivo de AY, dijo que la compañía estaba construyendo actualmente una planta piloto del tamaño de un kilo para demostrar la tecnología, utilizando un proceso continuo probado para recuperar manganeso de minerales de baja ley (Figura 4). Se está construyendo una planta comercial de 3 toneladas / día que utilizará chatarra o metales de calidad inferior de los productores de LIB. En las pruebas de laboratorio, se recuperaron 100 latas de cátodo metálico a partir de materiales LIB y desechos, que generalmente se llevan a cabo eventualmente en vertederos o fundiciones. La recuperación de metales no es eficiente y ni siquiera es posible recuperar litio de ningún cátodo. Reaugh explicó que el proceso AY debería ser fácil de escalar porque demuestra la historia de la operación continua cuando el nivel de producción de manganeso es alto.

Utilizando dióxido de azufre y otros reactivos de bajo costo, así como procesos de desmantelamiento automático de baterías, la tecnología de recuperación de AMY está casi libre de desperdicios porque se recuperan 100 toneladas de metal y se recicla el agua de proceso. Reaugh dijo que la parte revolucionaria de los procesos hidro metalúrgicos simplifica los pasos de precipitación, aumenta la producción de metales y tiene la flexibilidad para trabajar con muchos metales y productos químicos de cátodos.

Considerando la futura oferta y demanda de materiales para baterías como el litio y el cobalto, Reaugh cree que al comparar el proceso de reciclaje con la minería, sus ventajas son muy obvias. "Los precios del cobalto se están disparando y no parece haber una producción inmediata, y para las minas nuevas, es necesario considerar años y años de tiempo de entrega", agregó. "Creo que nuestro reciclaje es más económico que la minería".

Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego (www.ucsd.edu) han desarrollado otra nueva tecnología para recuperar materiales de cátodos de LIBs descartados. El proceso comienza con la etapa de separación no destructiva de partículas, que consiste en la disolución, suspensión, filtración y lavado de adhesivos, seguido del tratamiento de litificación hidrotermal, en el que las partículas catódicas se presurizan en soluciones alcalinas en presencia de sales de litio. Los siguientes pasos de recocido ayudan a corregir la estructura cristalina del material, que podría degenerar durante el uso anterior de la batería, explica zhengchen, profesor de Nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego. Según el equipo, el material de la batería recuperado durante el proceso recuperó su rendimiento original en términos de capacidad de almacenamiento de carga, tiempo de carga y duración de la batería.

Chen dijo que uno de los principales beneficios de este proceso es su eficiencia energética en comparación con otras tecnologías de reciclaje de baterías. "No destruimos la mayor parte de la estructura y composición de las partículas, que consume mucha energía para recrear." Evitar la repetición de estos pasos de fabricación puede ayudar a ahorrar energía ", dijo. Este proceso ha sido demostrado en una escala de gramos y ha sido ha demostrado estar disponible para baterías LCO y NMC, lo que les permite manejar de manera flexible los LIB de vehículos eléctricos y productos electrónicos de consumo.

Metales en el procesamiento de combustibles fósiles

La creciente demanda mundial de LIB ha obligado a la industria a considerar fuentes de energía alternativas para muchos metales y, en algunos casos, a buscar inspiración en los procesos tradicionales de petróleo y gas. MGX Minerals Inc. y Highbury Energy Inc. Una nueva tecnología desarrollada en cooperación con Vancouver tiene como objetivo recuperar los metales (coque) utilizados en las LIB a partir del coque de petróleo, el principal subproducto de la refinación del petróleo. El coque de petróleo se envía a procesos avanzados de gasificación termoquímica para producir subproductos de hidrógeno y cenizas a partir de los cuales se recuperan metales de alto precio, incluidos níquel y cobalto, y diversas concentraciones de elementos de tierras raras. La alta demanda de hidrógeno y la gran cantidad de materias primas de coque de petróleo baratas hacen que este proyecto sea muy atractivo. La clave de la efectividad de la recuperación de metales radica en la precisión de la tecnología del reactor de lecho fluidizado de gasificación para eliminar la acumulación de alquitrán y residuos que suelen afectar la operación de gasificación. "Este proceso requiere gasificación con bajo contenido de alquitrán y subproductos de cenizas limpias. Lo último que queremos es alquitrán o material orgánico en las cenizas, lo que puede dificultar bastante el procesamiento de metales", explicó Jared Lazerson, presidente y director ejecutivo de MGX Mining. Otra ventaja de este proceso de gasificación es que puede manejar una amplia gama de tamaños de partículas, incluidos materiales muy finos. Dado que el gasificador actúa como un centrador, el proceso de recuperación de metales es relativamente sencillo.

Según Lazerson, la capacidad de ubicar los procesos de gasificación de petróleo y recuperación de metales con el sitio de procesamiento de arenas petrolíferas elimina los problemas de logística y transporte. Highbury Energy ha utilizado su tecnología patentada de reactor de lecho fluidizado para ejecutar plantas de prueba de gasificación durante años. "Estamos empezando a determinar si la próxima etapa será un piloto o una pequeña planta comercial", dijo Lazerson. Además del coque de petróleo, otros proyectos han propuesto al carbón como fuente de asfalto.

En litio, MGX Minerals está avanzando en la tecnología de nanofiltración para la recuperación de litio. En este proceso, el proceso de flotación de alta intensidad patentado utiliza microburbujas para eliminar el aceite residual, los metales y las partículas pequeñas de la materia prima, generalmente solución salina, relaves o aguas residuales que contienen litio del petróleo y el gas natural o los sitios de procesamiento químico. Lazerson dijo que este paso puede eliminar 99 toneladas de partículas físicas, proporcionar una fuente de sal muy limpia para el paso de nanofiltración y luego refinar aún más el flujo de litio líquido hasta el nivel de pureza requerido para la fabricación de LIB. "Básicamente, es una técnica de adsorción altamente especializada para nanitos", agregó. "Eliminamos impurezas como el sodio, el magnesio y el calcio en el primer paso, por lo que lo que obtenemos es un concentrado de litio muy puro, así como otros concentrados de sal que se pueden monetizar", señala Lazerson. La empresa está a punto de completar su primera planta comercial y está evaluando la ubicación de instalación de la próxima planta. Actualmente, la planta produce 750 barriles por día y se están realizando las primeras obras de construcción, que producen 7.500 barriles por día. MGX Mining también trabaja con socios en América del Sur y del Norte, incluido el despliegue potencial de sitios de salmuera natural a gran escala asociados con el tratamiento geotérmico en el sur de California. La compañía también anunció recientemente un proyecto de desarrollo conjunto con Orion Laboratory Co. Ltd. y Light Metals International para comercializar un nuevo proceso termoquímico modular para producir Li2CO3 o LiOH de alta pureza en concentrado de piroxeno de litio.

Otra fuente potencial de litio son las aguas residuales de las actividades de fracturación hidráulica. Universidad de Texas en Austin (UT; www.utexas.edu) con la Universidad de Monash, Melbourne, Australia (Melbourne, Australia, www.monash.edu) y CSIRO (Melbourne, Australia); www.csiro.au) desarrolló un proceso de membrana utilizando esqueletos orgánicos de metal (MOF) para extraer de forma selectiva el litio de las aguas residuales (Figura 5). "Teniendo en cuenta que el MOF específico de este trabajo tiene una apertura, ¿se puede acomodar? ¿Qué? Los iones de litio nan-parcialmente deshidratados, pero no los iones grandes o los iones altamente hidratados, los hacen selectivos para el litio en relación con partes más grandes de iones deshidratados como el sodio. , potasio y cesio ", explicó el profesor de ingeniería química de UT, Benny Freeman. "Nuestro supuesto actual es que los iones de litio se deshidratan parcialmente en los poros de MOF, donde se transmiten muy rápidamente a través de los espacios nanocristalinos en los cristales de MOF. Este mecanismo significa que la interacción interna de MOF con los iones de litio es favorable, lo que resulta en una deshidratación al menos parcial de iones ", añadió Freeman. Actualmente, las membranas MOF se han demostrado a escala de laboratorio, pero el Grupo UT está trabajando para adaptar esta tecnología al proceso de flujo continuo establecido por CSIRO para producir una mayor cantidad de MOF. El equipo cree que la tecnología no se limita al litio, el MOF se puede usar con fines de desalinización o se puede ajustar para que penetre selectivamente en aniones monovalentes, como eliminar el fluoruro del agua potable o eliminar el nitrato de la escorrentía agrícola. Para obtener más información sobre la aplicación de membranas en la recuperación de litihum, consulte la cobertura de membranas expandidas en CPI.

Compra de cobalto más cerca de casa

El aumento de la capacidad de fabricación de LIB ha ejercido una presión única sobre el suministro de cobalto. El cobalto se extrae no solo en áreas políticamente inestables, sino también principalmente como un subproducto de las minas de níquel y cobre, por lo que su economía está estrechamente relacionada con las necesidades de estos mercados. Reconociendo la necesidad de un nuevo cobalto importante para satisfacer la demanda, Fortune MinimalsLtd .. (Londres, Ontario, Canadá; www.fortunemanerals.com) está llevando a cabo un extenso proyecto de cobalto en América del Norte, que produce muy poco cobalto. El proyecto Fortune Mines incluye la extracción de cobalto, oro, bismuto y cobre en un gran depósito en los Territorios del Noroeste de Canadá, así como una refinería de procesamiento de metales en Saskatchewan que procesará concentrados de metal de las minas. "El proyecto básicamente mitiga los riesgos de la cadena de suministro al tener una fuente de transparencia de la cadena de suministro integrada verticalmente en América del Norte", explica Robin Goad, presidente y director ejecutivo de Fortune Mines. El proyecto ha realizado estudios de viabilidad e ingeniería de front-end (FEED), y el grupo está actualmente completando un nuevo estudio de viabilidad para considerar ganancias de productividad del 30 por ciento. Goad dijo: "Nuestro objetivo es producir alrededor de 7.000 toneladas de sulfato de cobalto heptahidratado cada año, que es el material preferido para las baterías NCA y NMC en la industria automotriz.

La planta de Saskatchewan comenzará a procesar concentrados de metales en minas a partir de bismuto. En un dispositivo de tratamiento de bismuto, el paso secundario de flotación produce un concentrado de sulfuro de cobalto que contiene oro y luego lo envía al dispositivo de tratamiento de cobalto (Fig. 6). Aquí, el concentrado de cobalto se sumerge en ácido a alta presión a 180 ° C en un autoclave. "El sulfuro de cobalto se disuelve en una solución en una reacción exotérmica. Debido a que los minerales de sulfuro producen ácido durante la disolución, el ácido rara vez se consume", explicó Goad. A continuación, el oro se recupera y se envía a una unidad de proceso separada, el material de cobalto se neutraliza y las impurezas (hierro, cobre y el arsénico más crítico) se precipitan para producir un flujo de cobalto relativamente puro. "Eliminamos las impurezas de arsénico y usamos el exceso de hierro en la solución para convertirlo en arseniato de hierro. El arsénico, que era tóxico, ahora se encuentra en un estado estable no peligroso y se puede depositar en vertederos de manera segura en el sitio del proyecto", agregó Goad. Este paso de conversión de arsénico es particularmente importante para que la planta maneje metales de otras minas, ya que muchas nuevas producciones de cobalto se basan en arsénico y existen restricciones a la exportación de compuestos que contienen arsénico. Goad dijo: "Además de procesar concentrados de nuestras propias minas, creemos que las refinerías podrán manejar bien los concentrados de otros proyectos de cobalto en América del Norte. Fortune Mines espera que la planta comience a construirse a principios de 2019. Depuración y operaciones comerciales se llevará a cabo en 2021. "El plan de negocios a largo plazo es diversificar hacia el reciclaje, porque tendremos uno que será capaz de eliminar residuos, chatarra o chatarra de baterías y reciclar metales", dice Goad. Destacó la necesidad de establecer una infraestructura de puntos de recolección para respaldar estos flujos de desechos antes de que pueda ocurrir un reciclaje a gran escala.

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