दुनिया भर में लिथियम-आयन बैटरियों की बढ़ती मांग के साथ लिथियम की आवश्यकता में अभूतपूर्व वृद्धि हुई है। हमारे दैनिक जीवन में, स्मार्टफ़ोन से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों तक, हर जगह ये बैटरियां ऊर्जा प्रदान करती हैं। हालाँकि अमेरिका, यूरोप और ऑस्ट्रेलिया जैसे देशों में लिथियम के प्रचुर भंडार मौजूद हैं, फिर भी वैश्विक लिथियम शोधन (रिफाइनिंग) में चीन का वर्चस्व है। इन देशों के भीतर मौजूद कठोर चट्टानों से लिथियम को उपयोगी रूप में निकालना एक बड़ी चुनौती बनी हुई है, जो इस प्रभुत्व का एक प्रमुख कारण है।
वर्तमान चुनौतियों को पार करना: ऊर्जा, लागत और अपशिष्ट
आजकल कठोर चट्टानों से लिथियम निकालने की प्रक्रिया अत्यधिक ऊर्जा-खर्चीली और अपशिष्ट-गहन है। यह खारे पानी से लिथियम प्राप्त करने की तुलना में अक्सर कहीं अधिक महँगी होती है, जिसमें अपने स्वयं के पर्यावरणीय नुकसान होते हैं। पारंपरिक तरीकों में चट्टान को 1,000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर पकाना और फिर लिथियम निकालने के लिए रासायनिक रूप से इसे लीच करना शामिल है। बची हुई चट्टान को बेकार मानकर फेंक दिया जाता है, जिससे भारी मात्रा में अपशिष्ट पैदा होता है। यह प्रक्रिया न केवल आर्थिक रूप से बोझिल है, बल्कि पर्यावरणीय रूप से भी अस्थिर है, खासकर जब हम दुनिया के ऊर्जा संक्रमण के लिए महत्वपूर्ण खनिजों की बात करते हैं।
MIT का अभिनव समाधान: एक बंद-लूप, कम तापमान वाली प्रक्रिया
अब, MIT और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने लिथियम-युक्त खनिज के सबसे सामान्य प्रकार से बैटरी-ग्रेड लिथियम निकालने के लिए एक कम तापमान वाली प्रक्रिया विकसित की है। यह प्रक्रिया एक तरल अभिकर्मक (लिक्विड रीजेंट) का उपयोग करके चट्टान को उसके घटक भागों के उपयोगी रूपों में घोलती है: न केवल बैटरी-तैयार लिथियम लवण, बल्कि गलाने के लिए उपयुक्त एल्यूमिना और सीमेंट के लिए तैयार सिलिका भी। खनिजों को निकालने के बाद, विलायक (सॉल्वेंट) और अभिकर्मक को पुनर्प्राप्त करके फिर से उपयोग किया जा सकता है, जिससे अपशिष्ट का स्तर लगभग शून्य हो जाता है।
शोधकर्ताओं का अनुमान है कि यह बंद-लूप प्रक्रिया पारंपरिक लिथियम कठोर चट्टान निष्कर्षण की आधी लागत पर की जा सकती है, जिससे यह खारे पानी से लिथियम निकालने की लागत के बराबर हो सकती है। यह तकनीक न केवल आर्थिक रूप से व्यवहार्य है, बल्कि पर्यावरणीय रूप से भी बेहतर है, क्योंकि यह कम ऊर्जा का उपयोग करती है और कम अपशिष्ट पैदा करती है। इस प्रक्रिया का विवरण एक शोध पत्र में प्रकाशित किया गया है, और शोधकर्ताओं ने पहले ही MIT स्पिनआउट, Rock Zero के माध्यम से इस तकनीक का व्यावसायीकरण शुरू कर दिया है।
MIT के सेंटर फॉर इलेक्ट्रिफिकेशन एंड डिकार्बोनाइजेशन ऑफ इंडस्ट्री के पूर्व परियोजना प्रबंधक और इस अध्ययन के लेखक कैमडेन हंट कहते हैं, “2040 तक, हमें विश्व स्तर पर लिथियम के उत्पादन को चौगुना करने की आवश्यकता है, जिसका अर्थ है सैकड़ों नई लिथियम उत्पादन संपत्तियाँ। कठोर चट्टानें प्रचुर मात्रा में हैं; वे हर जगह पाई जा सकती हैं। लेकिन अधिकांश कठोर चट्टान शोधन चीन में किया जाता है। हमारा केंद्रीय तर्क यह है कि यदि आप चट्टान को तोड़ने, लिथियम निकालने और बैटरी-ग्रेड लिथियम लवण बनाने का एक आसान तरीका खोज सकते हैं, तो आप लिथियम बाजार को बदल सकते हैं। यह अमेरिका में महत्वपूर्ण खनिजों के उत्पादन को बढ़ावा देने के हालिया अभियान के अनुरूप है।”
इस शोध पत्र में हंट के साथ MIT के पूर्व पोस्टडॉक बेंजामिन मोब्रे, पीएचडी उम्मीदवार कल्यान फ्यूलिंग, MIT की छात्रा जैकलीन प्राविरा, MIT ग्रीन सीमेंट स्पिनआउट सबलाइम सिस्टम्स के पूर्व वरिष्ठ शोध वैज्ञानिक खशयार जाफ़री, और MIT के क्योसेरा प्रोफेसर ऑफ मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग येट-मिंग चियांग भी शामिल हैं।
क्रांति की जड़ें: बाथरूम से बैटरी तक
इस शोध की जड़ें लगभग 25 साल पहले हुए एक बाथरूम नवीनीकरण में हैं। जब चियांग स्पष्ट कांच के ब्लॉकों को पारदर्शी बनाने के लिए कुछ ढूंढने के लिए एक हार्डवेयर स्टोर गए थे, तब उन्हें एक ग्लास नक़्क़ाशी वाली क्रीम मिली थी, जो कांच की सतह को “खाकर” काम करती थी। उस क्रीम का सक्रिय घटक अमोनियम फ्लोराइड निकला।
हाल ही में, जब चियांग सबसे प्रचुर मात्रा में लिथियम-युक्त खनिज, स्पोड्यूमीन को रासायनिक रूप से तोड़ने के तरीकों पर विचार कर रहे थे, तो उन्हें उस नक़्क़ाशी वाली क्रीम की याद आई। स्पोड्यूमीन, कांच की तरह, मुख्य रूप से सिलिका से बना होता है। धातुओं को अयस्कों से निकालने के लिए पारंपरिक रसायन-आधारित तरीके अधिक प्रतिक्रियाशील तत्वों को प्राथमिकता से घोलते हैं और सिलिका-समृद्ध अवशेष छोड़ देते हैं क्योंकि सिलिकॉन-ऑक्सीजन बंधों की मज़बूती के कारण ऐसा होता है। पानी और अमोनियम फ्लोराइड के मिश्रण का उपयोग करने के लिए अपनी प्रक्रिया को डिज़ाइन करके, शोधकर्ता पहले सिलिका को घोलने में सक्षम होते हैं, जिससे यह प्रक्रिया उलट जाती है।
शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे स्पोड्यूमीन चट्टान को कमरे के तापमान पर घोल सकते हैं, जो अत्यधिक गर्मी की आवश्यकता वाली पारंपरिक प्रक्रियाओं की तुलना में एक बड़ी सफलता थी। लेकिन यह अभी भी उपयोगी सामग्री का उत्पादन करने वाली बंद-लूप प्रणाली की दिशा में केवल पहला कदम था।
मोब्रे कहते हैं, “सिलिका को घोलना खनन में सबसे कठिन हिस्सा है। अगला सवाल यह था कि हम इसे प्रभावशाली खनिज प्रसंस्करण समस्याओं पर कैसे लागू करें।”
उपयोगी सह-उत्पादों का अलगाव
खनिज स्पोड्यूमीन मुख्य रूप से तीन घटकों से बना होता है: लिथियम, एल्यूमीनियम और सिलिका। मोब्रे और हंट, जिन्होंने रसायन विज्ञान में पीएचडी की उपाधि प्राप्त की है, ने अमोनियम फ्लोराइड समाधान में टूटने के बाद इन घटकों को अलग-अलग परिष्कृत करने के तरीकों की खोज शुरू की।
सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने लिथियम फ्लोराइड को अलग किया, जो बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले सामान्य इलेक्ट्रोलाइट सामग्रियों के लिए एक उपयोगी इनपुट है। चियांग, जिन्होंने MIT में अपने कई दशकों के करियर में कई बैटरी कंपनियों की स्थापना की है, ने फिर शोध टीम से पूछा कि क्या वे लिथियम हाइड्रॉक्साइड और लिथियम कार्बोनेट को अलग कर सकते हैं, जो बैटरी कैथोड बनाने के लिए उपयोगी दो लिथियम लवण हैं। शोधकर्ता प्रयोगशाला में वापस गए और पाया कि वे नई प्रक्रियाओं को विकसित करके दोनों को बना सकते हैं, जिनमें से कुछ में कार्बन डाइऑक्साइड या सोडियम कार्बोनेट मिलाना शामिल था। चियांग ने चट्टान के एल्यूमीनियम भाग के लिए भी ऐसी ही चुनौती दी, जिसे एक उच्च तापमान पृथक्करण तकनीक का उपयोग करके अलग किया गया, और फिर सिलिका, जिसे अवक्षेपण (प्रेसिपिटेशन) द्वारा अलग किया गया।
मोब्रे बताते हैं, “पहले हमारा लक्ष्य इन उत्पादों का उत्पादन करना था, फिर उनकी शुद्धता और गुणों का निर्धारण करने और यह सुनिश्चित करने के लिए अतिरिक्त कदम थे कि हमारे उत्पाद लक्षित बाजारों के लिए विनिर्देशों को पूरा करते हैं। लिथियम लवण के लिए, हमने बैटरी-ग्रेड लिथियम कार्बोनेट, सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले लिथियम नमक के लिए शुद्धता विनिर्देशों की पहचान की। सिलिका के लिए, हम चाहते थे कि इसे सीमेंट योज्य (एडिटिव) के रूप में उपयोग किया जाए, इसलिए हमने सीमेंट प्रतिक्रियाशीलता परीक्षण किए और अंततः औद्योगिक तरीकों का उपयोग करके इससे सीमेंट के क्यूब्स बनाए। एल्यूमीनियम के लिए, हमने गलाने के लिए उपयुक्त एल्यूमीनियम को लक्षित किया। यदि कोई उत्पाद लक्ष्य विनिर्देशों को पूरा नहीं करता है, तो आपको एक अपशिष्ट प्रवाह मिलता।”
शोधकर्ताओं ने फिर अमोनियम फ्लोराइड और पानी को फिर से उपयोग करने की एक प्रक्रिया विकसित की जो प्रतिक्रिया शुरू करती है। चियांग कहते हैं, “हम स्पोड्यूमीन वाली चट्टान को घोलने में सक्षम हैं, और यह एल्यूमीनियम और लिथियम सहित सभी तत्वों को मुक्त करता है। सिलिका घोल में है, लेकिन अमोनियम फ्लोराइड बनाने के रास्ते में, अमोनिया गैस भी निकलती है। यदि उस अमोनिया गैस को फिर से लगाया जाता है, तो वह सिलिका को फिर से अवक्षेपित करती है। यह अनुक्रम हमें प्रारंभिक अमोनियम फ्लोराइड वापस देता है। यही कारण है कि यह एक चक्रीय प्रक्रिया है।”
शोधकर्ताओं ने दुनिया भर की चट्टानों का उपयोग करते हुए 17 विभिन्न स्पोड्यूमीन चट्टान स्रोतों को सफलतापूर्वक संसाधित किया, जिससे इसकी व्यापक प्रयोज्यता का प्रदर्शन हुआ। चियांग कहते हैं, “आपने ‘नाक से पूँछ तक’ खाने के बारे में सुना होगा? हम इसे ‘नाक से पूँछ तक’ खनन कहते हैं। हमारे शोधकर्ता MIT में स्थिरता के क्षेत्र में प्रभावशाली समस्याओं पर काम करने के लिए आए थे। उनके कौशल सेट के साथ, यह बस उन्हें इस समस्या पर काम करने के लिए प्रेरित करने का मामला था। हमने इन सभी चरणों से गुज़रा, और हर एक के लिए, मैं बस कहता था, ‘क्या आप अगला कदम उठा सकते हैं?’ और एक या दो सप्ताह बाद वे कहते थे, ‘ठीक है, हमने दिखा दिया है कि हम ऐसा कर सकते हैं।’ इस तरह यह पूरी प्रक्रिया बनी।”
पैमाने पर क्रियान्वयन और भविष्य
चियांग ने अपनी शोध टीम को अपनी नई प्रणाली की वाणिज्यिक व्यवहार्यता का मूल्यांकन करने के लिए और चुनौती दी। मोब्रे बताते हैं, “एक बार जब हमने इन मुख्य परिचालनों को सुलझा लिया, तो येट ने हमें कुछ गणित करने के लिए प्रोत्साहित किया। क्या दुनिया में 100 टेरावाट-घंटे बैटरी उत्पादन की आपूर्ति करने के लिए पर्याप्त स्पोड्यूमीन है? अनुवर्ती प्रश्न था: यदि आप इस प्रक्रिया के साथ दुनिया की सभी बैटरियों की आपूर्ति करते हैं, तो सह-उत्पादों की मात्रा क्या होगी? क्या वे वैश्विक वस्तु बाजारों से मेल खाते हैं? फिर हमने अभिकर्मकों की लागत, ऊर्जा की लागत, उपकरण की लागत को देखना शुरू किया। हमें यह विश्वास होने लगा कि इसका बड़ा प्रभाव हो सकता है।”
इस कार्य का मोब्रे के लिए विशेष महत्व है, जो ग्रामीण ब्रिटिश कोलंबिया के एक ऐतिहासिक खनन शहर में पले-बढ़े हैं। शोधकर्ताओं ने अपनी कंपनी Rock Zero को स्पिन आउट करने के लिए MIT के टेक्नोलॉजी लाइसेंसिंग ऑफिस के साथ काम किया, जो अब The Engine में स्थित है और प्रणाली को बड़े पैमाने पर बढ़ा रही है।
चियांग कहते हैं, “हम मानते हैं कि यह दृष्टिकोण न केवल कठोर चट्टानों से, बल्कि समग्र रूप से लिथियम प्राप्त करने का सबसे कम ऊर्जा वाला, सबसे कम लागत वाला तरीका है। यही हमें इसे बड़े पैमाने पर करने के लिए प्रेरित कर रहा है। यह लिथियम का उपयोग करने वाली बैटरियों के माध्यम से ऊर्जा संक्रमण को सक्षम करेगा। यह MIT में The Climate Project के लक्ष्यों में से एक था – उन परियोजनाओं पर काम करना जो कुछ ही वर्षों के भीतर प्रयोगशाला से व्यावसायीकरण और प्रभाव तक संक्रमण कर सकती हैं।”
इस कार्य को आंशिक रूप से ऊर्जा विभाग की एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी-एनर्जी (ARPA-E), MIT क्लाइमेट ग्रांट चैलेंज प्रोग्राम और नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था। इस कार्य में MIT.nano सुविधाओं का उपयोग किया गया था।
संदर्भ और कड़ियां (References & Links)
- मूल समाचार विज्ञप्ति: MIT News | Massachusetts Institute of Technology
- शोध पत्र: Science | Valorization of lithium hardrock concentrates into battery raw materials and commodity products
