Lithium-Ausbeute aus Weltmeeren

Smartphones, Elektroautos und Energiespeicher haben eines gemeinsam: Für die in ihnen verbauten Akkuzellen wird das seltene Metall Lithium gebraucht. In der Natur kommt Lithium wegen seiner hohen Reaktivität nicht im elementa­ren Zustand vor. Das bedeutet, dass es immer in Verbindungen mit anderen Stoffen vorliegt, von denen es erst mühsam abgetrennt werden muss. Derzeit stammt das weltweit eingesetzte Lithium größtenteils aus den Salzwüsten Chiles und aus australischen Minen. Um die hohe Nachfrage zu befriedigen, reichen diese Vorkommen aber nicht aus, weshalb nach neuen Lösungen gesucht wird. Dabei geht es neben neuen Quellen auch um energieschonende Verfahren der Gewinnung.

Lithium aus den Weltmeeren

Auch in dem lebensnotwendigen Element Wasser kommt Lithium oft in Form von Salz als Spurenelement vor. Ähnliches gilt für Meerwasser: Zwar ist die Lithiumkonzentration darin gering, aber allein die ungeheure Menge macht das Wasser unserer Ozeane für die Lithiumgewinnung attraktiv. Rechnet man den Lithiumgehalt des Meerwassers auf die gesamte verfügbare Meerwas­sermenge von 1,4 Milliarden Kubikkilometern hoch, kommt man auf 230 Milli­arden Tonnen Lithium.

Geringer Energieaufwand

Der Clou ist dabei das spezielle elektrochemische Verfahren, das ein deutsch-chinesisches Forschungsteam entwickelt hat, wie das Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in einer Pressemitteilung erklärt. In dem Team um Professor Presser, in dem Saarbrücker Wissenschaftler mit Forschern der Akademie der Wissenschaften in Shanghai zusammenarbeiten, wird Lithium in einem konti­nuierlichen Prozess von Meerwasser abgetrennt.  

Elektrochemisches Verfahren

Grundlage für das neue Verfahren sind drei Elemente: 1.) eine Redox-Fluss-Batterie, 2.) eine Polymermembran für den Austausch von Anionen sowie 3.) zwei lithiumselektive keramische Membranen (LISICON). Das Prinzip von Redox-Fluss-Batterien ist die Speicherung von Energie in chemischen Verbin­dungen, bei denen die miteinander reagierenden Stoffe in gelöster Form vor­liegen. Durch Umwälzung der beiden Elektrolyte erfolgt der Ionenaustausch mittels einer Membran, wodurch die gelösten Stoffe auf chemischem Wege reduziert bzw. oxidiert werden.   

„Bus fahren“ und dabei Lithium gewinnen

Professor Presser erläutert das Verfahren anhand des einfachen Vergleichs mit einem Bus, der ständig im Kreis fährt. Die aus zwei Kammern bestehende elektrochemische Zelle – eine ist für die Oxidation, die andere für die Reduk­tion zuständig – enthält in ihrer Mitte eine Ionenaustauschmembran. Das Be­sondere an dem neuen INM-Verfahren ist, dass es zwischen diesen beiden, für die Redox-Fluss-Batterie üblichen Kammern noch zwei weitere Kanäle gibt: einen für den Zustrom von lithiumhaltigem Wasser, den anderen zur Anrei­cherung von Lithium-Ionen. Hier kommt nun der Bus-Vergleich ins Spiel: Das lithiumhaltige Wasser wird zunächst in das System einspeist; mittels Reduktion einer Rotkali-Lösung „steigen“ die Lithium-Ionen in die erste Kammer „ein“ (sie werden aufgenommen). Bei der darauffolgenden Oxidation in der anderen Kammer „steigen“ sie wieder „aus“ (sie werden abgegeben). Das Lithium wird schließlich in konzentrierter Form gewonnen.

Kontinuierliche Lithium-Ernte

Der Vorteil dieses „Ringbuslinien“-Systems sei, so Professor Presser, dass es kon­tinuierlich am Laufen gehalten werden könne (dies ist auch der Grund für die Verwendung der Redox-Fluss-Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten, der von einer Pumpe fortwährend umgewälzt wird). Und dank der keramischen LISICON-Membrane besitzt das System eine hohe Selektivität von Lithium-Ionen gegenüber anderen Kationen.

Flexibles System

In zweierlei Hinsicht ist das System flexibel. Erstens in puncto Größe: Die Größe der Elektrolyt-Kammern richtet man einfach an der Größe des Gesamtsystems aus. Zweitens, was die Vielfalt der möglichen Quellen angeht. Wie Stefanie Arnold, ein Mitglied der Energie-Materialien-Gruppe des INM erklärt, könne das Verfahren für natürliches Wasser aller Art genutzt werden; dazu zähle das Wasser aus den Weltmeeren, aus Hydrothermalquellen oder Grubenwasser. Aber auch zum Recyceln gebrauchter Batterien durch die Extraktion von Lithium-Ionen eigne sich das Verfahren.

Quelle: elektronikpraxis.de, 08.11.2022
Bild: INM / Volker Presser