Molekularny sposób na odzysk litu

Lit jest potrzebny do produkcji baterii zasilających telefony, samochody elektryczne i magazyny energii. Część tego cennego surowca tracimy jednak już podczas jego pozyskiwania. Gdy zasolone wody, czyli solanki, odparowują, powstają stałe mieszaniny soli. Wraz z dużymi ilościami sodu, potasu i magnezu pozostaje w nich także lit. Takie materiały mogą stać się dodatkowym źródłem surowca, jeśli znajdziemy sposób na jego skuteczne oddzielenie.

W projekcie realizowanym w Instytucie Chemii Organicznej PAN szukamy cząsteczek, które potrafią wybiórczo wychwytywać sole litu z mieszanin. Nazywamy je receptorami molekularnymi. Można je porównać do maleńkich szczypiec, w których odpowiednio rozmieszczone atomy wiążą wyłącznie jon litu i umożliwiają wybiórcze rozpuszczenie jego soli w rozpuszczalniku organicznym. Dzięki temu chlorek litu można wydobywać bezpośrednio ze stałego materiału, bez wcześniejszego rozpuszczania całej mieszaniny w wodzie. Łączymy projektowanie komputerowe z syntezą organiczną oraz badaniami wiązania i ekstrakcji soli, aby zrozumieć, jak działają receptory. Badania spektroskopowe i analiza struktury kryształów pozwalają ustalić, które atomy otaczają jon litu i jak oddziałuje on z receptorem. Z kolei analiza składu próbek pozwala określić, ile litu udało się odzyskać oraz czy i jakie zanieczyszczenia występują w otrzymanym produkcie.

Podczas realizacji projektu odkryliśmy nową rolę związków od kilkudziesięciu lat znanych jako Jonofor Sodowy II i Jonofor Sodowy III. Dotychczas wykorzystywano je w specjalnych elektrodach do oznaczania stężenia jonów sodu. My natomiast pokazaliśmy, że w badanych roztworach preferują lit i mogą selektywnie wyciągać jego sole z mieszanin stałych. Na tej podstawie opracowaliśmy proste receptory, które można otrzymywać w ilościach wielogramowych z tanich i łatwo dostępnych substratów. Co ciekawe, wykazaliśmy, że w rozpoznawaniu chlorku litu pomaga woda. Jej cząsteczka wiąże się z jonem litu i jednocześnie oddziałuje z jonem chlorkowym. Receptor może więc przenosić uwodnioną sól do fazy organicznej bez konieczności jej całkowitego odwadniania. Poznanie tego mechanizmu podpowiada, jak projektować kolejne cząsteczki do rozdzielania soli. Metodę sprawdziliśmy na około 100 gramach modelowej mieszaniny soli naśladującej materiały powstające podczas przetwarzania solanek z Salar de Atacama w Chile. Choć zawierała mniej niż 5% chlorku litu, odzyskaliśmy niemal całą jego ilość. Po połączeniu otrzymanych frakcji produkt zawierał ponad 95% chlorku litu. Sole sodu, potasu i magnezu w większości pozostały w materiale wyjściowym. Odzyskaną sól można łatwo oddzielić od receptora za pomocą wody, a sam receptor wykorzystać ponownie. W trzech kolejnych cyklach nie stwierdziliśmy utraty jego aktywności.

Wyniki opublikowaliśmy w 2026 roku w „Angewandte Chemie International Edition”. Artykuł otrzymał status Very Important Paper (VIP; wyróżnienie przyznawane jedynie ok. 5% artykułów), a ilustracja przedstawiająca nasze badania znalazła się na przedniej okładce numeru 32/2026. O badaniach informowały m.in. serwis Nauka w Polsce i Polskie Radio.

Obecnie intensywnie pracujemy nad odzyskiem litu ze zużytych baterii litowo-jonowych. Sprawdzamy, jak wykorzystać nasze receptory do selektywnego wydzielania soli litu z materiałów pochodzących z takich ogniw. Chcemy w ten sposób przywracać cenny surowiec do obiegu i ograniczać jego straty. Równolegle uzyskujemy obiecujące wyniki ekstrakcji litu w układzie ciecz–ciecz (LLE). Wykorzystujemy zmodyfikowane receptory na bazie katecholu, czyli związku stanowiącego podstawę wcześniej opracowanych cząsteczek. W takim procesie lit jest przenoszony pomiędzy dwiema niemieszającymi się cieczami. Rozszerzamy w ten sposób badania ze stałych mieszanin soli na roztwory.

Końcowym celem grantu pozostaje sterowanie wychwytywaniem i uwalnianiem soli litu za pomocą światła. Badamy układy zawierające molekularny przełącznik, który po oświetleniu zmienia kształt, a przez to może zmieniać zdolność receptora do wiązania soli. Takie rozwiązanie mogłoby ułatwić kontrolowanie procesu odzysku litu.