Apabila orang berfikir tentang kimia, imej yang biasanya terlintas di fikiran ialah pelbagai cecair berwarna dalam bikar, kelalang dan tabung uji dalam makmal. Tetapi dalam amalan sebenar, kimia boleh melibatkan bahan dalam semua keadaan: cecair, gas, dan juga pepejal.
Para saintis di Hab Inovasi Bahan Kritikal (CMI), yang diketuai oleh Makmal Kebangsaan Ames Jabatan Tenaga AS, menggunakan subdisiplin kimia yang dipanggil mekanokimia yang benar-benar menggoncang pemahaman konvensional tentang tindak balas kimia, menggunakan daya mekanikal yang menggoncang, meruntuhkan, dan menghancurkan pepejal untuk memulakan tindak balas kimia. Proses baharu mereka, pengekstrakan litium mekanokimia pada suhu rendah, atau MELLT, adalah penyelesaian kreatif untuk meningkatkan dan mempelbagaikan bekalan litium di Amerika Syarikat.
Litium ialah elemen permintaan tinggi dengan risiko rantaian bekalan yang berkaitan. Ia diperlukan untuk bateri boleh dicas semula berprestasi tinggi yang terdapat dalam teknologi seperti telefon bimbit, peranti perubatan dan kenderaan elektrik, untuk menamakan beberapa. Apabila kenderaan elektrik menjadi lebih popular, permintaan untuk litium meningkat. Unsur litium (Li) yang diperlukan untuk membuat bateri ini datang daripada dua sumber: air garam dan mineral batuan keras. Air garam litium ialah mendapan air bawah tanah yang masin yang telah terkumpul litium terlarut. Mineral batuan keras utama yang mengandungi litium dipanggil spodumene. Kedua-dua sumber memerlukan kaedah pengekstrakan yang berbeza.
Ihor Hlova, seorang saintis CMI dan Ames Lab dan ketua kumpulan projek, menjelaskan bahawa mengekstrak litium daripada air garam adalah proses kos efektif yang berdasarkan penyejatan suria. Pada asasnya, telaga cetek yang diisi dengan air garam secara berterusan terdedah kepada udara terbuka untuk membiarkan air tersejat. Ia adalah sumber utama untuk litium import dan domestik di Amerika Syarikat.
Kaedah semasa untuk mengekstrak litium daripada spodumene mineral batu keras adalah intensif tenaga dan menghasilkan gas rumah hijau dan aliran sisa berbahaya. Dalam proses ini, bijih mineral dipanaskan dua kali. Kali pertama ia dipanggang pada suhu 1050°C (1976°F) untuk menukarkannya kepada keadaan yang lebih sesuai untuk pemprosesan kimia. Pada pusingan kedua, bijih mineral dimasak sekitar 250°C (485°F) bersama-sama dengan bahan kimia untuk membentuk sebatian litium larut air. Produk litium yang terhasil adalah kualiti yang lebih tinggi daripada litium yang diekstrak daripada air garam.
Kedua-dua kaedah memberikan cabaran dalam pasaran permintaan tinggi untuk Litium; air garam mengambil masa terlalu lama untuk dihasilkan (12-24 bulan), dan pengekstrakan mineral batuan keras menggunakan terlalu banyak tenaga. Selain itu, air garam memerlukan sejumlah besar air tawar pada pelbagai peringkat pemprosesan, manakala pengekstrakan mineral langsung menghasilkan produk sampingan toksik.
Untuk memintas kelemahan ini dan mencipta proses yang lebih cekap, kumpulan Hlova menggunakan mekanokimia.
"Mekanokimia ialah teknik yang kurang digunakan dalam metodologi pengekstrakan," kata Tyler Del Rose, penyelidik pasca doktoral di Ames Lab dan ahli pasukan penyelidik. "Biasanya ia digunakan untuk menghancurkan bahan awal atau mencampurkan bahan tindak balas, tetapi dalam keadaan yang jarang berlaku ia telah digunakan untuk memudahkan tindak balas kimia."
Semua tindak balas kimia memerlukan tenaga. Tenaga itu boleh datang dalam pelbagai bentuk, seperti haba, cahaya, atau elektrik. Tetapi dalam kes mekanokimia, ia datang dari daya mekanikal. "Kuasa mekanikal menyebabkan ketidaksempurnaan struktur pada permukaan bahan pepejal," kata Hlova. "Ketidaksempurnaan ini menjadi tempat reaktif di mana tindak balas kimia boleh berlaku dengan lebih cepat dan mudah."
Dengan menggunakan prinsip ini, pasukan Hlova membangunkan MELLT. Dalam proses yang dipanggil penggilingan bola, ketulan spodumene pepejal dan bahan kimia bahan tindak balas pepejal, seperti natrium karbonat (Na2CO3), diletakkan ke dalam ruang dengan bola keluli. Ruang digerakkan dengan cara yang berbeza, menyebabkan ricih yang cepat, berulang dan tegasan hentaman di antara bahan. Tekanan berulang akhirnya membawa kepada keadaan tenaga tinggi dalam bahan kimia, menyebabkan mereka bertindak balas antara satu sama lain. Tindak balas ini menghasilkan sebatian litium larut air. Sebatian litium ini diekstrak daripada produk akhir dengan pencucian air.
MELLT memperkemas pengekstrakan mineral batuan keras, menggunakan tenaga yang jauh lebih sedikit, dan menghapuskan aliran sisa toksik. MELLT juga jauh lebih cepat daripada kaedah pengekstrakan air garam.
"Mekanokimia menawarkan pendekatan yang lebih mampan dan mesra alam untuk menjalankan tindak balas kimia," kata Hlova. "Projek ini menawarkan potensi untuk mempelbagaikan rantaian bekalan litium di AS, mengurangkan kritikaliti litium dan membuka jalan untuk masa depan yang mampan."
Pembangunan MELLT adalah sebahagian daripada usaha kerjasama yang lebih besar yang disokong oleh CMI yang melibatkan pelbagai makmal nasional, universiti dan rakan kongsi industri untuk menemui proses penapisan baharu atau untuk menambah baik kaedah sedia ada untuk mengekstrak litium daripada kedua-dua sumber batuan keras dan air garam.
“CMI wujud untuk membangunkan penyelesaian inovatif kepada isu rantaian bekalan kritikal seperti ini, kata Tom Lograsso, pengarah CMI. "Kerja ini adalah sebahagian daripada misi itu, menyediakan industri AS dengan teknologi yang tersedia untuk pengkomersilan."