Neue Methode optimiert Lithiumgewinnung aus Meer- und Grundwasser

Mit dem Boom des Elektrofahrzeugmarktes ist auch die Nachfrage nach Lithium, dem für Lithium-Ionen-Batterien benötigten Mineral, sprunghaft angestiegen. Die weltweite Lithiumproduktion hat sich im letzten Jahrzehnt mehr als verdreifacht. Doch aktuelle Methoden zur Gewinnung von Lithium aus Erzen oder Solen sind langsam und mit einem hohen Energiebedarf und Umweltkosten verbunden. Sie benötigen außerdem Lithiumquellen, die von vornherein unglaublich konzentriert sind und nur in wenigen Ländern zu finden sind.

Nun haben Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der Universität Chicago eine neue Methode zur Gewinnung von Lithium aus verdünnteren und weitverbreiteten Quellen des Minerals optimiert, darunter Meerwasser, Grundwasser und „Flowback-Wasser“, das beim hydraulischen Brechen zurückbleibt. und Offshore-Ölbohrungen.

„Im Moment gibt es eine Lücke zwischen Lithiumnachfrage und -produktion“, sagte Chong Liu, Neubauer-Assistenzprofessor für Molekulartechnik und leitender Autor der neuen Arbeit, veröffentlicht in Natürliche Kommunikation. „Unsere Methode ermöglicht die effiziente Extraktion des Minerals aus stark verdünnten Flüssigkeiten, was die potenziellen Lithiumquellen deutlich erweitern kann.“

In der neuen Forschung zeigten Liu und seine Kollegen, wie bestimmte Eisenphosphatpartikel Lithium am effizientesten aus verdünnten Flüssigkeiten extrahieren können. Ihre neuen Erkenntnisse könnten eine Ära des schnelleren und umweltfreundlicheren Lithiumabbaus beschleunigen.

Lithium zu einem Preis

Heutzutage stammt der Großteil des in Lithiumbatterien verwendeten Lithiums aus zwei grundlegenden Extraktionsprozessen. Lithiumerze können abgebaut, mit schweren Maschinen zerkleinert und anschließend mit Säure behandelt werden, um das Lithium zu isolieren. Lithium-Sole-Pools hingegen nutzen enorme Wassermengen, die von der Erdoberfläche gepumpt und dann verdampft werden (über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr), um getrocknetes Lithium herzustellen.

„Diese Methoden sind zunächst einmal nicht besonders umweltfreundlich, und wenn man versucht, mit weniger konzentrierten Lithiumquellen zu arbeiten, werden sie noch weniger effektiv“, sagte Liu. „Wenn man zehnmal mehr verdünnte Sole hat, braucht man zehnmal mehr Brackwasser, um die gleiche Menge Lithium zu erhalten.“

Lius Team hat in den letzten Jahren eine völlig andere Methode zur Gewinnung von Lithium aus verdünnten Flüssigkeiten entwickelt. Ihr Ansatz isoliert Lithium anhand seiner elektrochemischen Eigenschaften unter Verwendung von Olivin-Eisenphosphat-Kristallgittern. Aufgrund seiner Größe, Ladung und Reaktivität wird Lithium in die Zwischenräume der Olivin-Eisenphosphat-Säulen gezogen, wie Wasser in die Löcher eines Schwamms eindringt. Wenn die Kolonne jedoch perfekt ausgelegt ist, bleiben Natriumionen, die auch in Brackflüssigkeiten vorhanden sind, außen vor oder gelangen auf einem viel niedrigeren Niveau in das Eisenphosphat.

In der neuen Arbeit testeten Liu und Kollegen, darunter der Erstautor der neuen Arbeit Gangbin Yan, ein KMU-Doktorand, den Einfluss unterschiedlicher Olivin-Eisenphosphat-Partikel auf ihre Fähigkeit, Lithium im Vergleich zu Natrium selektiv zu isolieren.

„Bei der Herstellung von Eisenphosphat können Partikel völlig unterschiedlicher Größe und Form entstehen“, sagt Yan. „Um die beste Synthesemethode zu finden, müssen wir wissen, welche dieser Partikel Lithium am effektivsten gegenüber Natrium selektieren.“

Weder zu groß noch zu klein

Das Forschungsteam synthetisierte Olivin-Eisenphosphat-Partikel mit verschiedenen Methoden, was zu Partikelgrößen im Bereich von 20 bis 6.000 Nanometern führte. Anschließend teilten sie diese Partikel anhand ihrer Größe in Gruppen ein und bauten daraus Elektroden, die Lithium aus einer schwachen Lösung extrahieren konnten.

Wenn die Eisenphosphatpartikel zu groß oder zu klein waren, neigten sie dazu, mehr Natrium in ihre Strukturen aufzunehmen. Dies hat zu weniger reinen Lithiumextraktionen geführt.

„Es stellte sich heraus, dass es diesen Sweet Spot in der Mitte gab, wo die Kinetik und Thermodynamik Lithium gegenüber Natrium begünstigen“, sagte Liu.

Die Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung für die Skalierung der elektrochemischen Lithiumextraktion hin zur kommerziellen Nutzung. Sie schlagen vor, dass sich Forscher nicht nur auf die Produktion von Olivin-Eisenphosphat konzentrieren sollten, sondern auch auf die Produktion von Olivin-Eisenphosphat mit der idealen Partikelgröße.

„Wir müssen diese gewünschte Partikelgröße im Auge behalten, wenn wir Synthesemethoden zur Vergrößerung auswählen“, sagte Liu. „Aber wenn es uns gelingt, glauben wir, dass wir eine Methode entwickeln können, die die Umweltauswirkungen der Lithiumproduktion verringert und die Lithiumversorgung in diesem Land sichert.“

Weitere Autoren des Papiers 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; und Evguenia Karapetrova und Hua Zhou vom Argonne National Laboratory.