Quy trình chiết xuất mới có thể "mở khóa" nguồn cung Lithium toàn cầu

Các nhà nghiên cứu cho biết họ đã tìm ra một cách mới để chiết xuất Lithium – một kim loại quan trọng được sử dụng trong các pin ion Lithium cung cấp năng lượng cho xe điện và hệ thống lưu trữ. Kỹ thuật mới này được đánh giá là thân thiện hơn với môi trường và có chi phí thấp hơn so với các phương pháp hiện có. Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Science, trong khi một startup tên là Rock Zero đang làm việc để thương mại hóa quy trình này.

“Ở quy mô lớn, chúng tôi tin rằng đây sẽ là cách chi phí thấp nhất để khai thác Lithium trên thế giới,” ông Yet-Ming Chiang, một trong những tác giả của nghiên cứu, Giáo sư MIT và là nhà khởi nghiệp nối tiếp trong lĩnh vực công nghệ khí hậu (bao gồm các công ty như Form Energy và Addis Energy), nhận định.

Quy trình chiết xuất Lithium mới

Thách thức trong khai thác Lithium hiện tại

Hiện nay, cách kinh tế nhất để có được Lithium là chiết xuất nó từ nước mặn – loại nước mặn đã lấy kim loại này ra từ đá qua hàng ngàn năm. Tuy nhiên, kỹ thuật này bị giới hạn về địa lý và đòi hỏi những diện tích đất khổng lồ để xây các hồ bốc hơi. Phương pháp phổ biến hơn là khai thác đá cứng, nơi các thân quặng lớn bị nổ tung, nung ở nhiệt độ cao và xử lý bằng các hóa chất nguy hiểm.

Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu sử dụng một axit yếu để hòa tan các khoáng chất silicate vốn thường khó phản ứng. Quá trình này không chỉ giải phóng Lithium mà còn cả các vật liệu hữu ích khác, bao gồm nhôm (alumina) và silica.

Cảm hứng từ kem khắc kính

Câu chuyện nguồn gốc của nghiên cứu này, cũng như công ty thành quả sau đó, bắt nguồn từ một startup khác do Chiang sáng lập là Sublime Systems, chuyên sản xuất xi măng bằng điện hóa.

Đội ngũ đang cố gắng tìm một nguồn silica có tính phản ứng cao để tạo ra xi măng bền hơn. Một cách để tạo ra vật liệu phản ứng – có thể liên kết dễ dàng với các vật liệu khác – là lấy một vật liệu không phản ứng, hòa tan nó, sau đó để nó kết tinh lại dưới dạng phản ứng hơn. Việc hòa tan silicate không phải là không thể, nhưng cách tốt nhất được biết đến là sử dụng axit flohydric – một hóa chất cực kỳ nguy hiểm.

Chiang đã tìm thấy cảm hứng từ một dự án cải tạo nhà cũ liên quan đến kính, vốn được làm từ silica. “Tôi đang cải tạo một căn phòng tắm ở Framingham, Massachusetts, cách đây khoảng 25 năm,” ông nhớ lại. “Vì vậy, khi chúng tôi bắt đầu dự án này, tôi đã nhớ đến kem khắc kính và tự hỏi: ‘Bên trong cái đó có gì?’”.

Kem khắc kính mà ông nhớ đến, loại có thể dễ dàng tìm thấy ở bất kỳ cửa hàng thủ công hay vật liệu xây dựng nào, sử dụng floammonium – một axit yếu. Các nhà nghiên cứu MIT đã phát hiện ra rằng trong điều kiện phù hợp, nó có thể hòa tan hiệu quả các khoáng chất silicate mà không tạo ra axit flohydric trong quá trình.

Khoáng chất Spodumene và các sản phẩm chiết xuất

Hóa học này có thể hữu ích cho bất kỳ khoáng chất silicate nào – và có rất nhiều loại như vậy. Nhưng spodumene, loại khoáng chất thường được khai thác để lấy Lithium, đã trở thành mục tiêu hàng đầu.

Loại bỏ lò nung nhiệt độ cao

Ngày nay, một bước quan trọng trong việc xử lý quặng spodumene là nung nó trong lò ở nhiệt độ siêu cao. Điều này gây ra sự chuyển pha, về cơ bản làm phồng vật liệu và làm cho Lithium dễ tiếp cận hơn.

Bằng cách tránh nhu cầu đạt đến các nhiệt độ này, bạn có thể tiết kiệm chi phí năng lượng và có thể giảm cả lượng khí thải carbon, ông Camden Hunt, một trong các tác giả của nghiên cứu kiêm CEO và đồng sáng lập Rock Zero, cho biết.

Việc loại bỏ lò nung cũng có thể mở khóa khả năng sử dụng một số quặng không thể nung đúng cách. Hunt bổ sung rằng quặng chứa quá nhiều sắt sẽ không trải qua sự thay đổi pha đúng cách, thay vào đó nó sẽ tan chảy và biến thành một vật liệu dạng thủy tinh.

Quy trình mới dựa vào các bể nhựa khuấy đơn giản và diễn ra ở nhiệt độ lên tới khoảng 95 °C (200 °F). Floammonium hòa tan các silicate, cho phép trong các thí nghiệm trước đó gần như toàn bộ Lithium bên trong quặng spodumene được chiết xuất trong vài ngày. Các nhà nghiên cứu kể từ đó đã rút ngắn thời gian này xuống dưới 12 giờ, ông Benjamin Mowbray, tác giả chính của nghiên cứu và CTO/đồng sáng lập Rock Zero, cho biết.

Khai thác “tận dụng triệt để”

Các sản phẩm (sau một số bước bổ sung để làm sạch) bao gồm carbonat Lithium dùng để làm pin; alumina dùng để nung nhôm; và silica xi măng có thể thêm vào bê tông. Và axit có thể được tái sử dụng trong cùng một vòng lặp.

Chiang gọi đây là khai thác “từ mũi đến đuôi” – sử dụng mọi phần của quặng được cung cấp, giống như ăn mọi phần của một con vật bị giết mổ.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang làm việc để mở rộng quy mô và tối ưu hóa quy trình. Các bể trong phòng thí nghiệm tại Cambridge, Massachusetts có thể xử lý ba kg quặng spodumene cô đặc trong mỗi mẻ.

Họ cũng đã ước tính chi phí của quy trình này khi mở rộng quy mô đầy đủ. Giả sử rằng floammonium có thể được tái chế ở mức độ cao, họ có thể chiết xuất Lithium với giá dưới 6.000 USD mỗi tấn. Tổng chi phí dự kiến sẽ thấp hơn các quy trình khác được sử dụng để chiết xuất Lithium từ quặng đá cứng ngày nay, và có thể cạnh tranh với nước mặn.

Đội ngũ đã thiết kế một nhà máy thí điểm và đang tìm kiếm không gian để xây dựng. Kế hoạch là hoàn thành xây dựng vào cuối năm 2026 và bắt đầu vận hành cơ sở vào năm 2027. Các cuộc đàm phán đang được tiến hành với các đối tác tiềm năng trong ngành khai thác mỏ.

Thách thức từ thị trường biến động

Một khó khăn đối với những người mới tham gia thị trường chiết xuất Lithium là sự biến động của giá cả: Giá cả đã chứng kiến những biến động lớn trong những năm gần đây, từ đỉnh điểm vào năm 2022 xuống mức thấp vào cuối năm 2024 và tăng chậm bắt đầu từ đầu năm 2026.

Giá cả tăng có thể mang lại lợi ích cho những người chơi mới như Rock Zero, nhưng có nhiều dự án có thể đi vào hoạt động nếu giá tiếp tục tăng, và điều đó có thể kéo thị trường quay trở lại mức thấp, ông Simon Jowitt, chủ nhiệm khoa học địa chất khai thác tại Đại học Nevada, Reno, nhận định. “Mọi người đang chờ xem điều gì sẽ xảy ra với giá Lithium. Đây là một thị trường đông đúc và có những người chơi lớn ở đó.”

Và mặc dù pin đang thúc đẩy nhu cầu về Lithium, thị trường vẫn tương đối nhỏ, Jowitt bổ sung: “Điều đó có nghĩa là nó sẽ biến động.” Các công nghệ chiết xuất Lithium mới như của Rock Zero sẽ phải cạnh tranh với các phương pháp được sử dụng bởi các gã khổng lồ hiện có, và cũng có khả năng các thay thế công nghệ, như pin ion natri không cần Lithium, có thể làm cho thị trường khó điều hướng hơn.

Để bảo vệ vị thế của mình, đội ngũ Rock Zero hy vọng không chỉ mở rộng quy mô công nghệ này cho Lithium mà còn sử dụng nó cho các khoáng chất khác trong tương lai. Như Mowbray nói: “Vỏ Trái Đất được tạo thành từ silicate”.