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Sei es der Akku unseres Smartphones oder Laptops: Nichts geht ohne Lithium. Auch in jedem Elektrofahrzeug steckt eine Batterie – und Lithium-Ionen-Akkus sind hier (noch) nahezu alternativlos. Gleiches gilt für die Umstellung auf erneuerbare Energien: Um die schwankenden Energieerträge aus Sonne und Wind in Flauten verfügbar zu haben, müssen Überschüsse gespeichert werden. Auch hier sind Lithium-Ionen-Akkus – neben weiteren Speichermöglichkeiten – wesentlich. Das führt zu einer noch nie da gewesenen Nachfrage nach dem kostbaren Leichtmetall. Die Gewinnung von Lithium ist also ein Bottleneck sowohl der Energie- als auch der Mobilitätswende.
Prognosen deuten darauf hin, dass der Bedarf an Lithium von etwa einer halben Million Tonnen Lithium-Carbonat-Äquivalent (LCE) im Jahr 2021 auf schätzungsweise 3 bis 4 Millionen Tonnen im Jahr 2030 ansteigen wird. Doch die Gewinnung des „weißen Goldes“ sorgt zunehmend für negative Schlagzeilen, denn sie ist ein langsamer und teurer Prozess, der die Umwelt stark belastet.
Die aktuelle Gewinnung von Lithium führt zu Umweltschäden
Bisher sind die hauptsächlichen Quellen von Lithium Salzseesole und hochgradige Erze. Dabei werden mit Lithiumsalz versetzte Solen in riesigen Teichen eingedampft. Die dafür nötigen chemischen Prozesse sind langsam und umweltschädlich, da dabei chemische Abfälle anfallen. Damit stehen sie im Widerspruch zu dem Bestreben nach einer grüneren und nachhaltigeren Gesellschaft, die ja eigentlich durch eine zunehmende Elektrifizierung erreicht werden soll.
Forschende und einige Unternehmen haben daher angefangen, eine neue Technologie namens „direkte Lithiumgewinnung“ zu entwickeln. Für diese Methoden werden spezielle Materialien verwendet, die Lithium aus salzhaltigen Solen selektiv aufsaugen. Die neuen Verfahren sollen schneller, günstiger und nachhaltiger sein.
Dazu gehört auch die neue Technik, die Yi Cui und seine Kolleg:innen von der Stanford University entwickelt haben. Sie soll weniger als die Hälfte der heutigen Methoden kosten und wesentlich umweltschonender sein.
Neues Verfahren saugt Lithium aus Sole
Die Technologie von Yi Cui und Kolleg:innen zur Gewinnung von Lithium basiert auf elektrochemischen Methoden. Eine davon ist die Elektrodialyse, bei der Ionen mithilfe eines angelegten elektrischen Feldes durch eine lithiumselektive Membran transportiert werden.
Im Reaktor der Forscher:innen laufen auf beiden Seiten der Membran zwei entgegengesetzte Reaktionen ab: Wasserstoffentwicklung auf der einen Seite und Wasserstoffoxidation auf der anderen.
Die Reaktionen führen dazu, dass Lithiumionen durch die Membran wandern und auf der Seite der Wasserstoffentwicklung eine höhere Lithiumkonzentration entsteht. Werden mehrere Reaktorzellen in Reihe geschaltet, steigt die Lithiumkonzentration so weit an, dass das Metall gewonnen werden kann.
Die Forschenden um Yi Cui demonstrierten die kontinuierliche Lithiumextraktion aus Sole über 100 Stunden lang. Die Methode hat eine Lithiumselektivität von 100 Prozent und verbraucht nur ein Zehntel des Stroms heutiger Gewinnungsmethoden. Und, so die Forschenden, das Verfahren soll etwa 3.500 bis 4.400 Dollar pro Tonne Lithium aus Sole kosten. Die heutigen Methoden kosten in der Regel etwa 9.100 Dollar.
Damit könnte der neue Ansatz gegenüber der konventionellen Gewinnung von Lithium weitreichende Auswirkungen auf die Branchen des elektrifizierten Transports und der Speicherung erneuerbarer Energien haben und sie insgesamt deutlich nachhaltiger machen. Allerdings ist weitere Forschung nötig, da aktuell noch die teuren Materialien und die empfindlichen Strukturen ein Scale-up erschweren.
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