„Lithium“ kommt aus dem Meer! Ist das wirklich unerschöpflich?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhou Hongchang (Universität Tokio)

Hersteller: China Science Expo

Lithium ist als wichtige Batterieressource, glaube ich, jedem bekannt. Ob es sich um einen Herzschrittmacher handelt, der Leben rettet, oder um Tablets, Mobiltelefone und Computer, die für die tägliche Arbeit und das Studium verwendet werden: Sie alle benötigen Lithiumbatterien. Lithium ist zu einem wichtigen, im Leben der Menschen unverzichtbaren Material geworden und die Frage, wie sich die Lithiumressourcen besser erschließen lassen, ist zu einem Problem geworden, das alle beschäftigt.

Derzeit gewinnt mein Land Lithium hauptsächlich aus Erzen und Salzseen, doch tatsächlich bewachen wir ein Lithiumreservoir, das noch erschlossen werden muss: den Ozean. Die Forschung zur Gewinnung von Lithium aus Meerwasser war schon immer beliebt, wurde jedoch nicht industriell umgesetzt.

Vor Kurzem fand in Qingdao eine feierliche Unterzeichnungszeremonie für das weltweit erste Kooperationsprojekt zur Lithiumgewinnung aus Meerwasserentsalzungssole statt. Damit wurde der Bau des weltweit ersten Projekts zur Lithiumgewinnung aus Meerwasser offiziell eingeläutet und eine neue Etappe in der Umstellung der Lithiumgewinnung aus Meerwasser von der technischen Verifizierung zur Industrialisierung markiert.

Welche Aussichten hat dieses Projekt angesichts des aktuellen Status der Lithiumressourcen-Entwicklungsbranche? Welche Vor- und Nachteile hat die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser im Vergleich zu den verschiedenen bestehenden Methoden zur Nutzung von Lithiumressourcen? Dieser Artikel beantwortet Ihre Fragen zum Thema „Lithium“.

Qingdao hält Unterzeichnungszeremonie für das weltweit erste Kooperationsprojekt zur Meerwasserentsalzung und Lithiumgewinnung aus Sole ab

(Fotoquelle: Qingdao News Network)

Die bestehende Methode zur Erschließung von Lithiumressourcen ist weiterhin der langfristige Protagonist

Lithium ist ein Kernelement der neuen Energiebranche und wird häufig in Hightech-Bereichen wie Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Die Erschließung bestehender Lithiumressourcen konzentriert sich hauptsächlich auf zwei Arten von Mineralressourcen: Spodumenerz (Hartgesteinserz) und Salzseesole.

Lithium kommt in Hartgesteinsminen hauptsächlich in Form von Spodumen-Erz vor. Der Entwicklungsprozess umfasst üblicherweise Schritte wie Erzabbau, Erzzerkleinerung, Mahlen, Flotation und Schmelzen. Die wichtigsten Methoden zur Lithiumgewinnung sind Säurelaugung und Rösten.

Drei Arten von Spodumenkristallen

(Bildquelle: Wikipedia)

Bei der Säurelaugung von Lithium handelt es sich um einen Prozess, bei dem zerkleinertes und gemahlenes Spodumen-Erz mit Schwefelsäure vermischt wird, um lösliches Lithiumsulfat zu erzeugen. Anschließend wird Lithium durch Fest-Flüssig-Trennung, Konzentration, Kristallisation und andere Prozesse extrahiert. Bei der Röstmethode wird Spodumen-Erz mit Soda oder Gips vermischt und bei hoher Temperatur geröstet, um wasserlösliches Lithiumsalz zu erzeugen. Anschließend wird Lithium durch Wasserlaugung, Filtration, Kristallisation und andere Verfahren extrahiert.

Einige der weltweit größten Lithiumvorkommen, wie die Greenbushes-Mine in Australien und die Spodumen-Mine in China, enthalten bis zu 1 % bis 2 % Lithium. Die Erschließungs- und Raffinationsprozesse dieser Lagerstätten sind relativ ausgereift und die Produktion beträchtlich.

Andererseits ist Salzseesole eine lithiumreiche Grundwasserressource. Die wichtigsten Methoden zur Gewinnung von Lithium aus Salzseesole sind Solarverdampfung und Ionenaustausch.

Salzwüste von Uyuni

(Bildquelle: Wikipedia Autor: Dan Lundberg)

Bei der Solarverdampfungsmethode wird Salzlake aus einem Salzsee in ein großes Verdunstungsbecken gepumpt und das darin enthaltene Wasser mithilfe von Sonnenenergie verdunstet, wodurch die Lithiumkonzentration allmählich ansteigt. Nach der Verdampfung in einer Reihe von Verdampfungsbecken erreicht die Lithiumkonzentration in der Flüssigkeit ein bestimmtes Niveau, und dann werden die Lithiumextraktion und -raffination durchgeführt. Bei der Ionenaustauschmethode werden Lithiumionen durch Ionenaustauscherharze oder -membranen aus Salzwasser getrennt. Der Vorteil dieser Methode liegt in ihrer hohen Selektivität, die Verarbeitungskapazität wird jedoch durch die Leistung des Harzes oder der Membran begrenzt.

Die Lithiumkonzentration in Salzseesole beträgt üblicherweise mehrere Hundert bis mehrere Tausend mg/L. Obwohl sie niedriger ist als in Hartgesteinsminen, ist die Produktion immer noch relativ hoch, da die Ressourcen an der Oberfläche von Salzseen leicht abgebaut und verarbeitet werden können. Die Salzseen Südamerikas, wie beispielsweise die großen Salzseen an der Grenze zwischen Argentinien, Chile und Bolivien, sind eine wichtige Quelle der weltweiten Lithiumressourcen.

Generell haben beide Methoden ihre eigenen Vor- und Nachteile. Der Vorteil der Hartgesteinsbergbau-Erschließungsmethode liegt in ihrer hohen Produktionskapazität, allerdings verursacht sie größere Umweltschäden. Während die Methode der Salzsee-Sole-Erschließung relativ umweltfreundlich ist, wird sie stark von den klimatischen Bedingungen beeinflusst und weist eine geringere Lithiumgewinnungsrate auf.

In den letzten Jahren ist die weltweite Nachfrage nach Lithium weiter gestiegen und der Preis für Lithiumrohstoffe blieb lange Zeit hoch, was zu einem erheblichen Kostendruck bei den Batterieherstellern und Unternehmen für Fahrzeuge mit alternativer Energie im weiteren Verlauf der industriellen Kette führte. Aus diesem Grund konzentriert man sich auf die Forschung zur Gewinnung von Lithium aus Meerwasser. Schließlich sind die Lithiumvorkommen im Meer insgesamt reichlich vorhanden und können als unerschöpflich bezeichnet werden.

Die Menge der Lithiumressourcen im Meerwasser beträgt etwa 230 Milliarden Tonnen, was dem 16.000-fachen der gesamten Menge der weltweit gewinnbaren Lithiumressourcen entspricht. Allerdings ist die Lithiumkonzentration im Meerwasser sehr gering, im Allgemeinen zwischen 0,1 und 0,2 mg/L, was etwa einem Hunderttausendstel des Lithiumgehalts im Erz entspricht. Aufgrund der geringen Konzentration, technischer Schwierigkeiten und Kosten ist die derzeitige Produktionseffizienz bei der Gewinnung von Lithium aus Meerwasser weitaus geringer als die bestehende Technologie zur Erschließung von Lithiumressourcen. Daher werden die bestehenden Methoden zur Erschließung von Lithiumressourcen auch künftig die Hauptrolle spielen.

Die Lithiumreserven des Ozeans betragen bis zu 230 Milliarden Tonnen (dieses Bild zeigt Amami Oshima)

(Bildnachweis: Foto vom Autor aufgenommen)

Es stimmt, dass es unerschöpflich ist, aber die Produktionseffizienz ist ein großes Problem

Die Technologie zur Gewinnung von Lithium aus Meerwasser befindet sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase. Zu den technischen Verfahren zählen hauptsächlich Adsorptionsverfahren, Ionenaustauschverfahren, elektrochemische Verfahren und Lösungsmittelextraktionsverfahren. Schauen wir uns als Nächstes an, worin sich diese Methoden unterscheiden:

Adsorptionsmethode:

Dabei werden Lithiumionen mithilfe spezieller Adsorbentien, wie Lithiumionenaustauschermaterialien oder Lithiumionensieben, aus Meerwasser adsorbiert und anschließend die Lithiumionen mithilfe geeigneter Desorbentien vom Adsorbent desorbiert, wodurch eine Lithiumanreicherung und -gewinnung erreicht wird. Die Vorteile dieser Methode liegen in der einfachen Handhabung und Umweltfreundlichkeit, die Nachteile bestehen jedoch darin, dass die Lithiumrückgewinnungsrate und -selektivität durch die Leistung des Adsorbens begrenzt sind.

Der Ionenaustauschprozess ist derselbe wie bei der Salzseesole und hat dieselben Vor- und Nachteile. Darüber hinaus müssen Ionenaustauscherharze während des Gebrauchs regelmäßig regeneriert werden, was den Betriebsaufwand erhöht.

Bei der elektrochemischen Methode werden hauptsächlich die Prinzipien der Elektrolyse oder Elektrophorese verwendet, um Lithium aus Meerwasser zu extrahieren. Der Vorteil der elektrochemischen Methode liegt in ihrer hohen Selektivität, ihre Nachteile sind jedoch der hohe Energieverbrauch und die hohen Gerätekosten. Darüber hinaus können während des Elektrolyseprozesses bestimmte Nebenprodukte entstehen, die behandelt werden müssen.

Bei der Lösungsmittelextraktionsmethode wird Lithium aus Meerwasser getrennt, indem mithilfe eines bestimmten organischen Lösungsmittels oder Komplexbildners ein Komplex mit Lithiumionen gebildet wird. Der Vorteil dieser Methode liegt in ihrer hohen Selektivität, ihr Nachteil jedoch in der Verwendung organischer Lösungsmittel, was eine gewisse Belastung für die Umwelt darstellt. Darüber hinaus ist der Prozess der Lösungsmittelrückgewinnung und -regenerierung relativ kompliziert.

Lithiumbatterien, die in Smartphones verwendet werden

(Bildquelle: Wikipedia Autor: MyXyloto)

Auch wenn die Technologie Probleme aufweist, sind die Aussichten für eine Industrialisierung nicht düster.

Der Schlüsselfaktor bei der industriellen Entwicklung von Meerwasserlithium ist die Senkung der Abbaukosten. Ob das Niveau der bestehenden Technologie erreicht werden kann, hängt im Wesentlichen von folgenden Punkten ab.

Der erste ist natürlich der technologische Fortschritt. In den nächsten Jahren könnte durch die kontinuierliche Forschung und Entwicklung entsprechender Technologien die Extraktionseffizienz verbessert und die Kosten gesenkt werden. Auf dieser Grundlage ist es wahrscheinlich, dass die Regierungen angesichts der weltweit zunehmenden Aufmerksamkeit für nachhaltige Energien in diesem Bereich politische Unterstützung und finanzielle Investitionen leisten werden.

Gleichzeitig ist auch die Marktnachfrage ein wichtiger Einflussfaktor. Mit der rasanten Entwicklung der Märkte für Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien wird die Nachfrage nach Lithiumressourcen weiter steigen, was der industriellen Entwicklung der Lithiumgewinnung aus Meerwasser neue Marktimpulse verleihen wird.

Darüber hinaus dürfte die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser geringere Auswirkungen auf die Umwelt haben als herkömmliche Technologien zum Abbau von Lithiumressourcen. Im Kontext der Betonung einer nachhaltigen Entwicklung ist dies auch eine wichtige Triebkraft für die Industrialisierung.

Lithiummetall schwimmt auf Kerosin

(Bildquelle: Wikipedia)

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die bestehenden Technologien zur Erschließung von Lithiumressourcen der Gewinnung von Lithium aus Meerwasser in Bezug auf die Ausbeute immer noch deutlich überlegen sind. Mit dem technologischen Fortschritt und der steigenden Nachfrage nach nachhaltiger Energie wird diese Technologie wahrscheinlich verbessert und weiterentwickelt, was zu höheren Erträgen und einer höheren Wettbewerbsfähigkeit führt.

Das neu errichtete Projekt nutzt Salzlake aus der Entsalzungsanlage Qingdao Baifa, um Lithium vor der Entladung zu extrahieren, und produziert laut Qingdao News etwa 40 Tonnen Lithiumcarbonat pro Jahr. Unabhängig davon, ob die zukünftige Entwicklung dieses Projekts reibungslos verläuft, wird es als wichtiger Versuch der weltweiten Lithiumressourcenentwicklungsbranche in die globale Industriegeschichte eingehen.

Angesichts immer weiterer technologischer Innovationen können wir vielleicht eines Tages mit Zuversicht sagen: „Lithium ist kostenlos!“

Herausgeber: Sun Chenyu