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細菌をマイクロ電源とした高効率リチウム回収を実現 — 「電気化学方式に匹敵する効率と速度」と「細菌と材料の自己組織化」で大スケール化を可能に —

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20026-06-29 物質・材料研究機構,東北大学,東京大学

物質・材料研究機構(NIMS)、東北大学、東京大学の共同研究チームは、細菌をマイクロ電源として利用し、外部電源を使わずにリチウムイオンを高効率で回収する新しいバイオ電気化学的手法を開発した。リチウムイオン電池正極材料のλ-MnO₂ナノ粒子と細菌 Shewanella oneidensis MR-1を組み合わせると、両者が自発的に三次元凝集体を形成し、細菌が電子を供給して正極材料へリチウムイオンを選択的に取り込むことを発見した。これにより、広い電極面積や配線、外部電源を必要とせず、海水のような低濃度条件でも数時間以内に95%以上のリチウムを回収でき、従来の電気化学法に匹敵する回収速度と効率を実現した。本手法は、省エネルギーで環境負荷の小さい直接リチウム抽出(DLE)技術として期待されるほか、三次元反応場を利用するため大規模化にも適している。さらに、ナトリウムやマグネシウムなど他の金属資源の回収や機能性材料の合成への応用も期待される。

細菌をマイクロ電源とした高効率リチウム回収を実現 — 「電気化学方式に匹敵する効率と速度」と「細菌と材料の自己組織化」で大スケール化を可能に —

図: (左) 細菌 MR-1 の細胞内で乳酸が酸化されて発生した電子が、細胞外のλ-MnO2ナノ粒子へ受け渡され(細胞外電子伝達:EET)リチウムが取り込まれる。(中央) 続いて、細菌と材料粒子が自発的に集合し、ナノワイヤーで電気的に接続された導電性ネットワークを形成し、さらにリチウムを取り込む反応が活発化する。(右) マクロスケールでは、ミリメートルサイズの凝集体が反応容器の底に沈降し、均一なリチウム回収が進行する。

<関連情報>

電極を用いない生体電気化学的インターカレーションによる、スケーラブルなリチウム回収 Electrode-free bioelectrochemical intercalation for scalable lithium recovery

Kohei Shimokawa,Duyen Minh Pham,Heng Yi Teah,Xizi Long,Yasunori Kikuchi & Akihiro Okamoto

Nature Communications  Published:29 June 2026

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74500-3

Abstract

Electrochemical intercalation materials offer selective lithium recovery from saline streams, but conventional electrode architectures impose scale-up constraints. Here we report an electrode-free bioelectrochemical intercalation process in which a dissimilatory metal-reducing bacterium, Shewanella oneidensis MR-1, drives lithium uptake into λ-MnO2. The system self-assembles into microbe–mineral agglomerates that sustain electrochemical-rate intercalation without external wiring, forming a recoverable lithiated slurry. Over 95% of lithium was recovered from seawater within hours, with less than 1% co-intercalation of competing metal ions. Bottom-up self-agglomeration, in which extracellular and cell-surface cytochromes facilitate efficient electron transfer, enables scale-up. The generality and energetic basis of this mechanism are further supported by reproducing the key behaviour in an orthogonal FePO4 host with negligible abiotic reactivity. Techno-economic and life-cycle analyses for Li2CO3 production suggest that the process reduces brine water loss while maintaining competitive costs. These results establish self-assembled bioelectrochemical intercalation as a route to lithium recovery from saline streams.

0803資源循環及び環境
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