Öka effektiviteten i litium- och mineralutvinning med artificiella näckrosblad

Ett alternativ till gruvdrift för mineraler

När det gäller att producera de viktiga mineralerna som försörjer världens industrier finns det i praktiken bara 3 möjliga källor: gruvbrytning av berg, återvinning och rening av lösta mineraler. För material som järn och aluminium är traditionella gruvor de primära leverantörerna, med återvinning som också bidrar.

Men för material som litium är en av de primära källorna saltlösningar, mineralrika vatten som måste avdunstas för att samla de mineraler de innehåller. En liknande metod används ofta för produktionen av de två viktigaste gödselmedlen: nitrater och kalium.

Denna metod kräver enorma avdunstningsdammar som täcker tusentals tunnland, vilket medför en stor miljökostnad för de lokala ekosystemen.

Källa: SQM

Hittills har det uppnåtts genom att enbart förlita sig på solens strålar för att värma dammarna och avdunsta vattnet. Detta är långt ifrån en effektiv process, vilket förklarar de enorma ytor som krävs.

Detta kan nu vara på väg att förändras, tack vare ett nytt material som kan påskynda avdunstning, utvecklat av forskare vid Princeton University i samarbete med litiumproduktionsjätten Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ).

De publicerade sin uppfinning i Nature Water¹, under titeln “Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining”.

Massproduktion av litium

(Inte så hållbar) grön energi

När litium inte utvinns ur berg (spodumenavlagringar) finns det främst i mineralrika saltlösningar, blandade med andra salter och lösta mineraler. Saltlösningen utvinns huvudsakligen från grundvattnet eller skapas genom att lakera litium ur mineralrika avlagringar med färskvatten.

För närvarande används tiotusentals hektar soldammar världen över för att utvinna litium, där Chile har 6 000 hektar (14 800 tunnland).

Denna metod sätter extrem press på vattenförsörjningen i dessa regioner. Till saken kommer att litiumrika områden vanligtvis är öknar, vilket är anledningen till att litium koncentreras i ekonomiskt lönsamma avlagringar från början. Därför kan det begränsade vattnet helt omdirigeras till litiumindustrin, vilket utsätter lokala ekosystem och samhällen för risk.

Energiförbrukning

Dessa avdunstningsdammar är ett sätt att utnyttja solenergi ”gratis”. Det är ett överlägset alternativ till metoder som använder elektricitet, såsom mekanisk ångkompression eller ultrahögtrycks‑omvänd osmos.

Även om de sannolikt är mer ekologiska skulle dessa elbaserade metoder vara omöjliga att implementera i stor skala. Till exempel utnyttjar de chilenska avdunstningsdammarna redan 65 TWh solenergi, vilket överstiger 70 % av Chiles totala årliga produktion (~90 TWh per år).

En betydande fråga är att, trots att metoden är billig, är avdunstningsdammarna långt ifrån effektiva. Mindre än hälften av solenergin omvandlas till termisk energi, vilket bidrar till avdunstning.

Det är här Princeton‑forskarens uppfinning kommer in i bilden.

Gödselmedel

Inte bara litium utan även gödselmedel kan produceras genom avdunstningsdammar. Noterbart, SQM producerar årligen 1,5 miljoner ton av nitratsalter från caliche‑malm och salar‑saltvatten.

Källa: SQM

Detta är en del av en komplex kemisk blandning som SQM extraherar från saltlösningar, inklusive litiumklorid, kaliumklorid, magnesiumklorid, borsyra och kaliumsulfat. Kaliumet blandas sedan med den för att bilda kaliumnitrat.

Även om det inte är en betydande källa till gödsel jämfört med direkt gruvdrift eller syntes av kvävebaserade gödselmedel med naturgas (Haber‑Bosch‑processen), är detta en annan miljöpåverkande produktionsprocess som kan förbättras med mer effektiva avdunstningsdammar.

Optimera avdunstning

Tidigare upptäckter

Det senaste FoU‑arbetet för att öka avdunstningsdamarnas effektivitet bygger på tidigare arbete av samma forskare och andra inom området. De hade arbetat med fenomenet som kallas interfacial solar evaporation (ISE).

Det centrala konceptet för ISE är att använda ett starkt ljusabsorberande material för att fånga nästan 100 % av solstrålningen samtidigt som det absorberar det salta, mineralrika vattnet.

Källa: ResearchGate

Ytterligare framsteg har också gjorts för att undvika saltansamling och kristallisering, vilket skulle minska effektiviteten över tid, särskilt förbättring av saltåterflöde, Janus‑strukturella designer, och riktad kristallisering.

Ett offentligt‑privat partnerskap

Detta arbete gjordes som en del av universitetets START Innovators‑program. Programmet, en kombination av akademiskt stipendium och startup‑accelerator, möjliggjorde för forskarna att fortsätta utveckla sin teknik samtidigt som de skapade en affärsplan och byggde upp tidiga företag.

“Att hjälpa till att odla ett ekosystem där vår fakultet och våra forskare effektivt kan översätta sina teknologier till den kommersiella sektorn är en kärnfunktion för Office of Innovation.”

Craig Arnold – Vice Dean för innovation och universitets innovationsansvarig.

Detta tillvägagångssätt syftar till att påskynda överföringen av teknik från laboratorieidéer till industriell skala och bättre omsätta de akademiska forskarnas tekniska färdigheter till praktiska tillämpningar.

“Vad vi kan göra med forskare som professor Ren och hans team är att hjälpa till att omdirigera hur de tänker på sina idéer. Vårt mål är att radikalt förändra deltagarnas perspektiv, så att de lämnar vårt program med ett helt annat synsätt än när de började.

Vi ställer komplexa frågor som kan ligga utanför en forskares traditionella område men som är avgörande för att översätta akademiska innovationer till framgångsrika resultat.

Nena Golubovic – Direktör för Design for Impact‑programmet inom naturvetenskap och teknik

Det verkar ha fungerat, där tekniken gick från ”små prototyper i barnpooler” till testning av kommersialiseringsklara produkter i mineralproduktionsanläggningar i Sydamerika på mindre än två år.

“Princeton tillhandahöll grunden, ekosystemet och resurserna som har lärt oss de färdigheter och den kunskap vi behöver för att lyckas som ett litet företag.”

Sean Zheng – VD för Princeton Critical Minerals (tidigare PureLi)

Öka effektiviteten

Medan den tidigare prototypen använde trä som vattenbärande material, uppfann forskarna vridna cellulosa‑fiberkristallisatorer. De möjliggör inte bara snabb vattenavdunstning utan även rumsligt separerad kristallisering för selektiv litiumåtervinning.

De använde också proprietära beläggningar för våra kolbaserade material, vilket möjliggör snabb avdunstning, mineralseparering och antifouling‑egenskaper.

Startup‑företaget Princeton Critical Minerals testade sin första prototyp i en verklig litiumavdunstningsdamm som ägs av SQM, formad som ett näckrosblad som flyter på vattenytan.

Källa: ResearchGate

När den observeras med en termisk kamera är det tydligt att vattenytan är mycket varmare, med särskilt varma punkter i en speciell zon på det artificiella näckrosbladet. Designen visade sig kunna omvandla 96 % av solenergin till termisk energi, jämfört med 50 % effektivitet för öppna dammar.

Källa: ResearchGate

Detta förbättrade avsevärt avdunstningshastigheten, som i genomsnitt fördubblades (40–122 % ökning beroende på saltlösningens koncentration). Det hade också effekten att kraftigt minska vattenförlusten till dammens botten, eftersom processen gick mycket snabbare.

Källa: ResearchGate

Ytterligare forskning

Termisk kamerapdata visade att det centrala sättet de artificiella näckrosbladen fungerar på är genom att hålla solens värme vid dammens yta, där den faktiskt utför avdunstning, istället för i botten, där värmen går förlorad.

Eftersom temperatur påverkar mineralernas löslighet, kan ytterligare finjustering av temperaturen på näckrosbladenas yta förbättra litiumproduktionen ännu mer.

“Dessa frågor uppstod först när vi såg resultaten från fälttesterna. Om vi hade hållit vårt arbete i laboratoriet hade dessa nya riktningar kanske aldrig uppkommit.”

Z. Jason Ren – Professor i civil- och miljöteknik

Ett nästa steg blir att påbörja massproduktion av de artificiella näckrosbladen och undersöka enhetens ekonomi, samt potentiella långsiktiga affärsmodeller för Princeton Critical Minerals.

Företag för litiumavdunstning

SQM är det näst största litiumgruvföretaget i världen, med sina tillgångar i Chile och litium som utgör huvuddelen av företagets verksamhet. Det är också marknadsledande inom produktion av naturligt kaliumnitrat och säljer specialkemikalier som jod, kaliumklorid, borsyra och magnesiumklorider.

Källa: SQM

I april 2023 tvingades företaget konfrontera ett steg från Chile som hotar en partiell nationalisering av landets litiumindustri. Efter den initiala chocken klargjorde ytterligare detaljer i planen att landet fortfarande avsåg att attrahera privat utländsk investering.

Mer specifikt omförhandlar det nationella litiumföretaget Coldeco ett avtal med SQM, och andra litiumfyndigheter kommer att erbjudas för exploatering. Det befintliga avtalet kommer dock att respekteras och löpa till 2030.

Eftersom förhandlingarna pågår finns mycket lite information tillgänglig, och det är svårt att förutsäga SQMs långsiktiga framtid. Ändå är Chile ett land som är starkt beroende av gruvdrift för sin ekonomi, och den initiala motreaktionen mot nationaliseringsplanerna, som påverkar inte bara förtroendet för litium utan för hela gruvsektorn, har tvingat regeringen att begränsa sina ambitioner (för tillfället?).

Hotet om nationalisering följdes av en bestående nedgång i internationella litiumpriser, vilket har lett till en minskning av företagets aktiekurs, ner från sin topp i slutet av 2022.

Källa: Carbon Credit

Litium hade en försäljningsvolymstillväxt (+13 %), betydligt lägre genomsnittliga försäljningspriser år‑till‑år (-41 %) i 4Q2024 jämfört med 4Q2023

Som en följd av låga litiumpriser har företaget genererat betydligt mer intäkter under 2024, proportionellt sett, från andra produkter än tidigare, där jod står för 39 % av bruttoresultatet.

Källa: SQM

Detta kan ses antingen som en reflektion av företagets verkliga risk eller som en möjlighet att locka investerare som är villiga att ta risken och samla en solid utdelningsavkastning.

Precis som för alla litiuminvesteringar kommer investerare vilja vara bekanta med EV‑landskapet (efterfrågan och potentialen för innovativ kemi som natrium‑jonbatterier, utan litium) och förvänta sig att den höga volatiliteten i litiumpriserna kvarstår på kort sikt, även om fler nedåtrisker verkar vara inprissatta.

(Du kan läsa mer om litium och batterier i våra artiklar “Is Lithium Demand Set to Plummet with New Sodium-Ion Batteries?”, “Does Arkansas Hold the Answer to Our Lithium Needs?” och “Investing in Nobel Prize Achievements: Lithium-Ion Batteries To Power The World”.)

Senaste om Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{Studier som refereras:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}