Thesis:

Producción de litio metálico mediante electrodiálisis reactiva a baja temperatura a partir de electrolitos de LiCI

La “nueva generación” de baterías de litio tales como Li-S y Li-aire, debido a la incorporación de litio metálico como ánodo, por su alta capacidad teórica, incrementarán el requerimiento litio en formato metálico. En la actualidad el litio metálico se obtiene desde la electrólisis a una mezcla de sales fundidas LiCl (99.5% pureza) – KCl, la que presenta como desventajas un alto consumo específico de energía y el requerimiento de LiCl de alta pureza, el que se obtiene desde un proceso altamente ineficiente desde el punto de vista hídrico. Para ello se generó una vía alternativa para la producción de litio metálico haciendo uso de electrodiálisis reactiva (EDR) a partir de soluciones de LiCl con contenido en peso de litio de 1.0% acompañado de impurezas como sodio y calcio, operando a 25 – 35ºC y densidad de corriente 75 – 125 A/m2. La caracterización electroquímica vía voltametría cíclica a las reacciones REDOX Cl-/Cl2 y Li+/Li0 dan cuenta de reacciones paralelas a la oxidación de cloruro dando paso a formación de HClO y HClO2 disminuyendo así el cloro gaseoso disponible como contaminante. A partir de la densidad de corriente límite obtenida y la densidad de corriente aplicada, se determina la descomposición del agua corresponde a la reacción anódica del sistema. Los estudios a la cupla Li+/Li0 permiten observar la presencia de la condición de underpotential deposition (UDP) durante la reducción de litio y la ausencia de exclusivo control cinético difusional en el rango estudiado. Respecto a la nucleación de litio sobre un electrodo de cobre, determinada vía cronoamperometría, esta es controlada por transferencia de carga e instantánea, seguido de un crecimiento tipo tridimensional. La eficiencia farádica del proceso propuesto es 83.81% ± 15.32%, tensión de celda 5.35 ± 0.56 V y consumo específico de energía (CEE) entre 26.03 ± 8.18 kWh/kgLi. Estos valores significan una disminución de 33.12% y 25.62% para la tensión de celda y CEE, respectivamente. El grado de pureza de los cátodos es de un 97.29 ± 1.29%.

The “new generation” of lithium batteries such as Li-S and Li-Air systems, due to their incorporation of metallic lithium as an anode because of their high theoretical capacity, will generate an increase in lithium requirements in metallic form. At present, metallic lithium is obtained from the electrolysis of a mixture of molten salts LiCl (99.5%wt. purity) – KCl, which has as disadvantages a high specific energy consumption and the requirement of high purity LiCl, which is obtained from a highly water inefficient process. For this purpose, an alternative route to produce lithium metal was generated using reactive electrodialysis (RED) from LiCl solutions with a lithium content of 1.0%wt. with impurities such as sodium and calcium, operating at 25 – 35ºC and current density of 75 – 125 A/m2. The electrochemical characterization via cyclic voltammetry of the REDOX reactions Cl-/Cl2 and Li+/Li0 shows parallel reactions to the chloride oxidation leading to the formation of HClO and HClO2, thus reducing the available chlorine gas as a pollutant. From the limiting current density obtained and the applied current density, the decomposition of the water corresponds to the anodic reaction of the system. The Li+/Li0 couple studies allow observing the presence of the underpotential deposition (UDP) condition during the lithium reduction and the absence of exclusive diffusional kinetic control in the studied range. Regarding the lithium nucleation on a copper electrode, determined by chronoamperometry, it is controlled by charge transfer and instantaneous, followed by a three-dimensional growth. The faradic efficiency of the proposed process is 83.81% ± 15.32%, cell voltage 5.35 ± 0.56 V V and specific energy consumption (SEC) between 26.03 ± 8.18 kWh/kgLi. These values mean a decrease of 33.12% and 25.62% for cell voltage and SEC, respectively. The purity grade of the cathodes is 97.29 ± 1.29%.