Ein Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA hat kürzlich ein neues Verfahren angekündigt, das den Energieverbrauch und die Kosten für die Gewinnung von Lithium aus Hartgestein deutlich senken soll. Es wird angenommen, dass sich dadurch die wirtschaftliche Bilanz von Elektrofahrzeugbatterien verändern könnte. Relevante Forschungsarbeiten, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, konzentrieren sich auf die Frage, wie der Energieverbrauch und die Abfallemissionen bei der Verarbeitung von lithiumhaltigen Hartgesteinserzen reduziert werden können.
Ein Hauptgrund dafür, dass Lithium-Ionen-Batterien derzeit den Batteriemarkt dominieren, liegt darin, dass ihre Lieferkette groß angelegt und ihr System ausgereift ist und ein hocheffizientes globales Lithium-Versorgungsnetzwerk bildet, was es für alternative Technologien schwierig macht, hinsichtlich der Kosten zu konkurrieren. Dieser Vorteil hängt jedoch in hohem Maße von der stabilen Versorgung mit billigen Lithiumressourcen ab, und die aktuellen, kostengünstigeren Lithiumressourcen stammen hauptsächlich aus Salzlake-Lagerstätten in Südamerika. Obwohl Lithium im Hinblick auf die Häufigkeit in der Erdkruste nicht knapp ist, sind qualitativ hochwertige Erzquellen, die leicht abzubauen und kostengünstig sind, nicht reichlich vorhanden.
Vor diesem Hintergrund konzentriert man sich weiterhin auf ein lithiumhaltiges Mineral namens Spodumen, das die weltweit am häufigsten vorkommende Lithiumressource in Hartgestein darstellt. Allerdings ist die traditionelle Spodumen-Verarbeitungstechnologie teuer: Das Erz muss auf etwa 1.000 Grad Celsius erhitzt und dann mit Schwefelsäure ausgelaugt werden, um Lithium zu extrahieren. Obwohl dieser Prozess ausgereift und zuverlässig ist, geht er mit einem enormen Energieverbrauch einher und produziert eine große Menge schwefelhaltiger Abfälle.
Der vom MIT und seinen Mitarbeitern vorgeschlagene neue Ansatz geht einen ganz anderen Weg. Anstatt mit einer Hochtemperaturröstung zu beginnen, nutzt der Prozess eine auf etwa 70 Grad Celsius erhitzte Ammoniumfluoridlösung, um die Mineralstruktur aufzubrechen. Dabei wird das Erz in drei Stoffströme aufgetrennt: Lithium, Silizium und Aluminium: Lithium wird in der Lösung in Form von Lithiumfluorid gelöst, Silizium bildet eine lösliche Verbindung und Aluminium wird zur einfachen Verarbeitung in ein festes Zwischenprodukt umgewandelt.
In den weiteren Schritten stellt die Aufbereitung des Aluminiums den energieintensivsten Prozessschritt dar und erfordert eine stufenweise Erhitzung zunächst auf etwa 300 Grad Celsius und dann auf etwa 700 Grad Celsius, um letztendlich Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mehr als 98 % herzustellen. Im Vergleich dazu ist die Aufbereitung von Silizium relativ einfach: Durch die Zugabe von Ammoniak werden die Siliziumverbindungen in der Lösung in leicht abtrennbare Siliciumdioxid-Niederschläge umgewandelt. Das Forschungsteam stellte fest, dass diese Kieselsäuren als Betonzusatzstoffe verwendet werden könnten, was möglicherweise dazu beitragen könnte, die Verarbeitungskosten teilweise auszugleichen.
Lithium bleibt immer als Lithiumfluorid in Lösung. In dieser Form kann es direkt als Vorstufe für das Elektrolytmaterial Lithiumhexafluorphosphat verwendet werden oder weiter in Lithiumnitrat umgewandelt und dann zu Lithiumoxid aufbereitet werden, um in den herkömmlichen Herstellungsprozess für Batteriematerialien einzutreten. Dies bietet mehrere Möglichkeiten für die Verbindung des neuen Prozesses mit der bestehenden Industriekette für Lithiumbatterien.
Ein Hauptmerkmal des neuen Prozesses ist die „geschlossene“ Führung des eigenen Reaktionssystems. Während des mehrstufigen Reaktionsprozesses entstehen Stoffe wie Ammoniak und Fluorwasserstoff; Anstatt sie als Abfall zu behandeln, entwickelte das Forschungsteam eine Recyclingverbindung, um die beiden zu Ammoniumfluorid zu resynthetisieren, um wieder an der Front-End-Verarbeitung teilzunehmen. Dieses geschlossene Kreislaufdesign trägt dazu bei, Reagenzienverluste und Abfallemissionen zu reduzieren, bedeutet aber auch, dass ein strenges Sicherheitsmanagement für hochkorrosiven und giftigen Fluorwasserstoff erforderlich ist.
Aus wirtschaftlicher Sicht zeigen Berechnungen des Forschungsteams, dass die Kosten der herkömmlichen Spodumenverarbeitung bei etwas weniger als 9.000 US-Dollar pro Tonne Lithium liegen, während das neue Verfahren die Kosten voraussichtlich auf über 5.000 US-Dollar pro Tonne senken wird, was in etwa dem Kostenniveau der Lithiumgewinnung aus hochwertigen Soleressourcen entspricht. Wenn Aluminium- und Siliziumnebenprodukte erfolgreich auf den Markt gelangen und monetarisiert werden können, besteht Raum für eine weitere Reduzierung der Gesamtkosten.
Allerdings betonten die Forscher auch, dass es immer noch zahlreiche Unsicherheiten zwischen Labormessungen und dem tatsächlichen Fabrikbetrieb gebe. Die tatsächlichen Kosten hängen von Faktoren wie dem Erzgehalt, Marktpreisschwankungen und den erforderlichen Kapitalinvestitionen für den Bau oder die Änderung von Produktionsanlagen für das neue Verfahren ab. Dennoch gilt diese Arbeit immer noch als eine neue Idee zum Thema Lithiumversorgung. Es konzentriert sich nicht nur auf die geografischen Quellen der Lithiumressourcen, sondern versucht auch, die Energienutzung und Ressourcenrückgewinnungsmodelle ausgehend vom eigentlichen Extraktionsprozess zu optimieren.