Neues Verfahren optimiert Lithiumgewinnung aus Meer- und Grundwasser

Mit dem Boom des Elektrofahrzeugmarktes ist auch die Nachfrage nach Lithium – dem Mineral, das für Lithium-Ionen-Batterien benötigt wird – sprunghaft gestiegen. Die weltweite Lithiumproduktion hat sich im letzten Jahrzehnt mehr als verdreifacht. Die derzeitigen Methoden zur Gewinnung von Lithium aus Gesteinserzen oder Salzlaugen sind jedoch langsam und mit hohem Energiebedarf und Umweltkosten verbunden. Außerdem werden Lithiumquellen benötigt, die von vornherein unglaublich konzentriert sind und nur in wenigen Ländern vorkommen.

Nun haben Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago eine neue Methode optimiert, um Lithium aus verdünnteren – und weit verbreiteten – Quellen des Minerals zu extrahieren, darunter Meerwasser, Grundwasser und „Flowback Water“, das beim Fracking und bei Offshore-Ölbohrungen zurückbleibt.

„Derzeit besteht eine Lücke zwischen der Nachfrage nach Lithium und der Produktion“, sagte Chong Liu, Assistenzprofessor für Molekulartechnik der Neubauer-Familie und leitender Autor der neuen Arbeit. veröffentlicht in Naturkommunikation„Unsere Methode ermöglicht die effiziente Extraktion des Minerals aus sehr verdünnten Flüssigkeiten, was die potenziellen Lithiumquellen erheblich erweitern kann.“

In der neuen Forschung zeigten Liu und ihre Kollegen, wie bestimmte Eisenphosphatpartikel Lithium am effizientesten aus verdünnten Flüssigkeiten ziehen können. Ihre neuen Erkenntnisse könnten eine Ära schnellerer und umweltfreundlicherer Lithiumgewinnung einleiten.

Lithium hat seinen Preis

Heute wird das meiste Lithium, das in Lithiumbatterien verwendet wird, durch zwei grundlegende Extraktionsverfahren gewonnen. Lithiumerze können abgebaut, mit schweren Maschinen zerkleinert und dann mit Säure behandelt werden, um das Lithium zu isolieren. Bei Lithium-Solebecken hingegen werden riesige Mengen Wasser an die Erdoberfläche gepumpt und dann – über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr – verdunstet, um getrocknetes Lithium zu gewinnen.

„Diese Methoden sind von vornherein nicht besonders umweltfreundlich, und wenn man versucht, mit weniger konzentrierten Lithiumquellen zu arbeiten, werden sie noch weniger effizient“, sagte Liu. „Wenn man eine zehnmal verdünntere Salzlauge hat, braucht man zehnmal mehr Salzwasser, um die gleiche Menge Lithium zu erhalten.“

In den letzten Jahren hat Lius Team eine völlig andere Methode entwickelt, um Lithium aus verdünnten Flüssigkeiten zu gewinnen. Ihr Ansatz isoliert Lithium auf der Grundlage seiner elektrochemischen Eigenschaften unter Verwendung von Kristallgittern aus Olivineisenphosphat. Aufgrund seiner Größe, Ladung und Reaktivität wird Lithium in die Hohlräume der Olivineisenphosphatsäulen gesaugt – wie Wasser in die Löcher eines Schwamms. Wenn die Säule jedoch perfekt konstruiert ist, bleiben Natriumionen, die auch in salzhaltigen Flüssigkeiten vorhanden sind, außen vor oder gelangen in viel geringerer Menge in das Eisenphosphat.

In der neuen Arbeit testeten Liu und ihre Kollegen, darunter der Erstautor des neuen Artikels, Gangbin Yan, ein PME-Student, wie sich Variationen in Olivineisenphosphatpartikeln auf ihre Fähigkeit auswirkten, Lithium selektiv gegenüber Natrium zu isolieren.

„Bei der Herstellung von Eisenphosphat können Partikel entstehen, die sich in Größe und Form drastisch unterscheiden“, erklärt Yan. „Um die beste Synthesemethode zu finden, müssen wir wissen, welche dieser Partikel Lithium gegenüber Natrium am effizientesten auswählen.“

Nicht zu groß, nicht zu klein

Das Forschungsteam synthetisierte Olivineisenphosphatpartikel mithilfe verschiedener Methoden und erhielt so eine Partikelgröße von 20 bis 6.000 Nanometern. Anschließend teilten sie diese Partikel anhand ihrer Größe in Gruppen ein und verwendeten sie zum Bau von Elektroden, die Lithium aus einer schwachen Lösung extrahieren konnten.

Sie stellten fest, dass Eisenphosphatpartikel, die zu groß oder zu klein waren, dazu neigten, mehr Natrium in ihre Strukturen aufzunehmen. Dies führte zu einer weniger reinen Lithiumextraktion.

„Es stellte sich heraus, dass es in der Mitte diesen Sweet Spot gibt, wo sowohl die Kinetik als auch die Thermodynamik Lithium gegenüber Natrium bevorzugen“, sagte Liu.

Die Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung, um die elektrochemische Lithiumextraktion in Richtung kommerzieller Nutzung zu bringen. Sie legen nahe, dass sich Forscher nicht nur auf die Herstellung von Olivineisenphosphat konzentrieren sollten, sondern auch auf die Herstellung von Olivineisenphosphat in der idealen Partikelgröße.

„Wir müssen diese gewünschte Partikelgröße im Hinterkopf behalten, wenn wir Synthesemethoden für die Skalierung auswählen“, sagte Liu. „Aber wenn uns das gelingt, glauben wir, dass wir eine Methode entwickeln können, die die Umweltauswirkungen der Lithiumproduktion reduziert und die Lithiumversorgung in diesem Land sichert.“

Weitere Autoren des Artikels sind Emory Apodaca, Suin Choi, Peter J. Eng, Joanne E. Stubbs, Yu Han, Siqi Zou, Mrinal K. Bera und Ronghui Wu von der University of Chicago; Jialiang Wei und Wei Chen vom Illinois Institute of Technology sowie Evguenia Karapetrova und Hua Zhou vom Argonne National Laboratory.