Nachhaltige Lithiumgewinnung – Revolutionierung der EV-Lieferketten

Angetrieben durch globale Dekarbonisierungsbemühungen, wird das Wachstum von Elektrofahrzeugen (EVs) voraussichtlich weiterhin rasant voranschreiten und in zehn Jahren mehr als die Hälfte der weltweiten Fahrzeugverkäufe ausmachen. 

Diese weit verbreitete Elektrifizierung des Verkehrssektors, der etwa 20 % der globalen Kohlendioxid (CO₂)-Emissionen aufgrund seiner starken Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen ausmacht, wird dazu beitragen, die gesamten Treibhausgas (THG)-Emissionen erheblich zu reduzieren.

Allerdings bringt dieser schnelle Übergang zu EVs ein großes Problem mit sich – eine erhebliche Belastung der Lieferkette kritischer Elemente, die in EV‑Batterien verwendet werden.

Unter den EV‑Batterien sind Lithium‑Ionen‑Batterien aufgrund ihrer geringen Kosten und unvergleichlichen Energiedichte am weitesten verbreitet und werden voraussichtlich die dominierende Batterietechnologie bleiben. Das bedeutet, dass Lithium (Li) insbesondere weiterhin ein unverzichtbarer Bestandteil sein wird.

Das weiche, silbrig‑weiße Alkalimetall, das das leichteste aller festen Elemente ist und heftig mit Wasser reagiert, wird in beträchtlichen Mengen in einem einzelnen EV‑Batteriepaket verwendet.

Daher wird die Nachfrage nach Lithium in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich exponentiell wachsen, so stark, dass sie bis 2030 bei weitem das übersteigen wird, was durch den Abbau von Lithium‑Erzen oder die Gewinnung aus lithiumreichen Solen erzielt werden kann.

Das Lieferkettenproblem mit dem kritischen Batterieelement

Die Nachfrage nach Lithium‑Ionen‑Batterien wird laut Benchmark’s Lithium‑Ion Battery Database in diesem Jahr voraussichtlich ein Terawatt‑Stunde (TWh) überschreiten, ein dramatischer Anstieg gegenüber 74 Gigawatt‑Stunden (GWh) vor einem Jahrzehnt.

Diese rasante Nachfrage nach Lithium‑Ionen‑Batterien, die zentral für das Wachstum der Automobilindustrie und die Energiewende ist, veranlasst Länder, eigene heimische Lieferketten zu entwickeln.

Während China die Branche dominiert, intensiviert sich der Wettbewerb, wobei die USA versuchen, die Kontrolle über EV‑ und Batterietechnologien zu erlangen. Beide Länder verhängen Handelsbeschränkungen, um ihre Industrien zu schützen und an die Spitze zu gelangen.

Im Januar dieses Jahres schlug China vor, Lithium‑Extraktions‑ und Raffinationstechnologien einzuschränken, um mehr Kontrolle über die globale Lithium‑Lieferkette zu erlangen. China, das zudem die weltweit führenden Lithium‑Batteriehersteller beherbergt, wobei CATL mit einem Marktanteil von 35 % die größte Position einnimmt, gefolgt von BYD, ist zum zweitgrößten Halter weltweit geworden, mit 16,5 % des globalen Gesamtvolumens, da sich seine Lithiumreserven verdreifacht haben.

Bolivien, Chile und Argentinien sind die weiteren bedeutendsten Lithium‑Reserveinhaber, wobei neue Lithiumproduzenten wie Saudi-Arabien durch massive Investitionen in Lithiumprojekte hinzukommen.

Die USA gehören ebenfalls zu den führenden Ländern mit bedeutenden Lithiumreserven. Trotz dessen ist ihre Produktion relativ gering – weniger als 2 % der weltweiten Gesamtmenge. Fast das gesamte Lithium stammt aus Albemarles Silver‑Peak‑Anlage. Daher zielt die Anordnung „Unleashing American Energy“ darauf ab, Genehmigungen für den Abbau zu vereinfachen und die heimischen Kapazitäten zu stärken.

Vor einigen Monaten beschuldigte ein hochrangiger US‑Beamter chinesische Lithiumproduzenten, konkurrierende Projekte zu eliminieren, indem sie den globalen Markt mit dem kritischen Metall überschwemmten und einen „räuberischen“ Preisverfall verursachten.

Die Lithiumpreise sind im vergangenen Jahr um mehr als 80 % gesunken, hauptsächlich wegen Chinas Überproduktion. Laut Jose Fernandez, dem damaligen Unterstaatssekretär für Wirtschaftswachstum, Energie und Umwelt:

„Sie betreiben räuberische Preisgestaltung… (sie) senken den Preis, bis die Konkurrenz verschwindet. Das ist, was gerade geschieht.“

China, fügte er weiter hinzu, produzierte deutlich mehr Lithium, „als die Welt heute benötigt“. Dies habe zu niedrigen Preisen geführt, die Fernandez zufolge „unsere Fähigkeit einschränken, unsere Lieferketten breit und global zu diversifizieren.“

Da der Wettbewerb intensiver wird und die Preisvolatilität die globalen Lieferketten bedroht, gibt es einen dringenden Aufruf zu alternativen Extraktionsmethoden, um eine stabile und nachhaltige Lithiumversorgung sicherzustellen.

Schließung der Lithium-Nachfrage‑Versorgungs-Lücke

Um die Lithium‑Versorgungs‑Lücke wirksam zu schließen, muss von konventionellen Methoden zu unkonventionellen wässrigen Quellen übergegangen werden. Dazu gehört das Extrahieren von Lithium aus geothermischen Solen, industriellen Abwässern, aus Öl‑ und Gas‑Produktion stammendem Wasser und Grundwasser.

Traditionell beinhaltet diese Art der Extraktion eine Vor‑Konzentration durch Solarverdunstung, gefolgt von einer Reihe chemischer Reinigungs‑ und Fällungsschritte.

Infolgedessen ist die Lithium‑Extraktion auf Regionen mit trockenem und weitem Land beschränkt. Außerdem erfordert sie lange Verarbeitungszeiten, hat negative Umweltauswirkungen und erzielt trotz alledem niedrige Lithium‑Rückgewinnungsraten.

Deshalb stehen Direkt‑Lithium‑Extraktions‑Technologien (DLE) im Fokus, die die zeit- und flächenintensiven Beschränkungen überwinden können. Diese Technologien können hochreines Lithium gewinnen, ohne chemische Nachbehandlungsschritte zu benötigen.

Hierbei werden Ionenaustauscherharze und Adsorbentien besonders intensiv für die Lithium‑Extraktion untersucht, doch diese Verfahren benötigen aufgrund ihrer begrenzten Lithium‑Selektivität noch eine teilweise Vor‑Konzentration von Lithium und erfordern große Mengen Süßwasser oder Chemikalien zur Regeneration.

Im Gegensatz dazu zeigt die elektrochemische Lithium‑Interkalation eine beeindruckende Lithium‑Selektivität, leidet jedoch unter stark begrenzten Elektrodenlebensdauern und erfordert periodische Regeneration.

Hochselektive Membranen hingegen haben das Potenzial, diese Beschränkungen zu überwinden, indem sie eine kontinuierliche und nachhaltige Lithium‑Rückgewinnung ermöglichen. Diese Methode begünstigt den bevorzugten Transport von Lithium gegenüber konkurrierenden Ionen.

In Bezug auf diese Technik bleibt die Untersuchung von Membranmaterialien, die eine hohe Lithium‑Selektivität gegenüber sowohl häufig konkurrierenden zweivalenten als auch monovalenten Ionen bieten, von entscheidender Bedeutung.

Kürzlich haben Forscher des Elimelech‑Labors an der Rice University einen großen Durchbruch erzielt, indem sie Festkörper‑Elektrolyte (SSEs) als Membranmaterialien für die wässrige Lithium‑Extraktion umfunktionierten.

SSEs sind ein stark untersuchtes Thema in der Batteriegemeinschaft, jedoch nicht als Membranmaterial für wässrige Ionentrennungen. Die Entwicklung von SSEs stand im Batteriebereich im Fokus, weil die Entflammbarkeit gängiger flüssiger Elektrolyte Sicherheitsbedenken hervorruft.

Festkörper‑Elektrolyte (SSEs) bieten tatsächlich vielversprechende Alternativen zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyten in Batterien, da sie erhöhte Sicherheit und das Potenzial für höhere Energiedichte bieten. SSEs sind feste Materialien, die den Ionentransport, wie Lithium‑Ionen, zwischen den Elektroden einer Batterie ermöglichen.

Neben einer verbesserten Sicherheit, weil sie nicht entflammbar sind, sind SSEs auch langlebiger, stehen jedoch vor Herausforderungen wie geringerer Ionenleitfähigkeit und Grenzflächeninstabilität.

Bezüglich der potenziellen Anwendung von SSEs als Membranmaterialien für die selektive Extraktion von Lithium‑Ionen aus Meerwasser haben einige Studien ihre mögliche Nutzung gezeigt, jedoch wurden die grundlegende Bewertung und das Verständnis des Transports in SSEs noch nicht untersucht.

Daher bewertet die neueste Studie die Nutzung eines Li‑Ion‑leitenden SSE als Membran für die wässrige Lithium‑Extraktion, indem sie die Grundlagen des Ion‑ und Wassertransports im SSE untersucht und dessen Ion‑zu‑Ion‑Selektivität gegenüber häufig konkurrierenden Kationen in Lithium‑Solen bewertet.

Die Studienergebnisse zeigen eine „praktisch perfekte Lithium‑Selektivität“. Sie deckten zudem eine wichtige Beziehung auf – obwohl undurchdringlich, beeinträchtigt das Vorhandensein konkurrierender Kationen (ein positiv geladenes Ion) dennoch den Lithium‑Fluss negativ.

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Den Weg für nachhaltige EV‑Batterie‑Lieferketten ebnen

Veröffentlicht in Science Advances¹, beschreibt die Studie die Entwicklung einer effizienten Lithium‑Extraktionsmethode – einer hochselektiven Festkörper‑Elektrolyt‑Membran, die die Lithiumgewinnung mit nahezu perfekter Selektivität revolutioniert und damit die Nachhaltigkeit in EV‑Batterie‑Lieferketten verbessert.

Das Forschungsteam stellte fest, dass die hochgradig geordnete und eingeschränkte Struktur von SSEs, ursprünglich für die schnelle Leitfähigkeit von Lithium‑Ionen in Festkörperbatterien entwickelt, in der Lage ist, eine beispiellose Trennung von sowohl Ionen als auch Wasser in wässrigen Gemischen zu erreichen.

Dies stellt einen potenziellen Durchbruch in der nachhaltigen Rohstoffrückgewinnung dar, der helfen kann, die Abhängigkeit von traditionellen Techniken zu reduzieren. Laut korrespondierendem Autor Menachem Elimelech, Nancy und Clint Carlson, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen:

„Die Herausforderung besteht nicht nur darin, die Lithiumproduktion zu steigern, sondern dies auf eine Weise zu tun, die sowohl nachhaltig als auch wirtschaftlich rentabel ist.“

Die vom Forschungsteam entwickelte neue Technik beruht auf einem grundlegenden Unterschied zwischen herkömmlichen nanoporösen Membranen und SSEs. 

Der Unterschied liegt darin, dass konventionelle Membranen auf hydratisierten nanoskaligen Poren zur Ionentransport angewiesen sind, während SSEs Li‑Ionen mittels eines wasserfreien Sprungmechanismus innerhalb eines hochgeordneten kristallinen Gitters bewegen.

„Das bedeutet, dass Lithium‑Ionen durch die Membran migrieren können, während andere konkurrierende Ionen und sogar Wasser effektiv blockiert werden. Die extreme Selektivität unseres SSE‑basierten Ansatzes macht ihn zu einer hocheffizienten Methode für die Lithiumgewinnung, da Energie nur für das Bewegen der gewünschten Lithium‑Ionen durch die Membran aufgewendet wird.“

– Erstautor Sohum Patel, derzeit Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Um dieses Phänomen zu testen, nutzte das Team ein Elektrodialyse‑Setup, bei dem Strom verwendet wird, um Li‑Ionen durch die Membran zu treiben. 

Das Experiment zeigte, dass selbst bei hoher Konzentration konkurrierender Ionen das SSE fast perfekte Lithium‑Selektivität beibehielt, ohne erkennbare konkurrierende Ionen. Dies ist etwas, das traditionelle Membrantechnologien nicht erreichen konnten.

Um nun zu beantworten, warum die SSEs eine solch außergewöhnliche Li‑Ion‑Selektivität zeigen, nutzte das Team eine Kombination aus rechnerischen und experimentellen Techniken, die auf das dicht gepackte, starre kristalline Gitter der SSE hinwiesen. Diese Struktur verhindert nicht nur das Eindringen von Wassermolekülen, sondern auch von größeren wie Natrium‑ und Magnesium‑Ionen.

„Das Gitter wirkt wie ein Molekulsieb und lässt nur Lithium‑Ionen passieren. Diese Kombination aus hochpräziser Größen‑ und Ladungsausschluss macht die SSE‑Membran so einzigartig.“

– Elimelec

Obwohl konkurrierende Ionen nicht durch das SSE drangen, stellten die Forscher fest, dass deren Vorhandensein den Lithium‑Fluss reduzierte, obwohl er immer noch vergleichbar mit dem in deutlich weniger selektiven Membranmaterialien beobachteten war. Die Forscher glauben, dass dieses Problem, das durch die Blockierung der verfügbaren Oberflächenstellen für den Ionenaustausch verursacht wird, durch weitere Materialentwicklung gelöst werden kann.

Zudem ist weitere Arbeit nötig, um die Wirksamkeit des SSE bei zunehmend komplexen und salzhaltigen Quellwässern zu demonstrieren. 

Insgesamt hebt die Studie die „hochversprechende Anwendung von SSEs zur Lithiumrückgewinnung“ hervor. 

Laut den Forschern kann diese neu entwickelte Methode eine stabile Lithiumversorgung für ein breites Spektrum von Branchen sichern, darunter die Automobil-, Elektronik- und Erneuerbare‑Energie‑Sektoren. 

SSE‑basierte Membranen können nicht nur dazu beitragen, die bevorstehenden Lithiumknappheiten zu bewältigen, sondern dies auch nachhaltig und ohne negative Umweltauswirkungen wie beim traditionellen Bergbau tun. Laut Patel:

„Durch die Integration von SSEs in Elektrodialysesysteme könnten wir die direkte Lithium‑Extraktion aus einer Reihe wässriger Quellen ermöglichen, wodurch der Bedarf an großen Verdunstungsbecken und chemisch intensiven Reinigungsschritten reduziert wird. Dies könnte den ökologischen Fußabdruck der Lithiumproduktion erheblich senken und den Prozess effizienter machen.“

Die Methode, die auch die mit der Lithiumproduktion verbundenen Kosten senken könnte, wird voraussichtlich innerhalb von 5–8 Jahren eine mögliche industrielle Einführung finden. Die Forscher erwarten, dass SSE‑Materialien künftig „an der Spitze der DLE‑Technologien“ stehen werden.

Zusätzlich prognostiziert die Studie breitere Anwendungen für SSEs bei ionenselektiven Trennungen über Lithium hinaus.

Wie Elimelech bemerkte, können die Mechanismen der Ionenselektivität in Festkörper‑Elektrolyten (SSEs) die Entwicklung ähnlicher Membranen zur Extraktion anderer kritischer Elemente aus Wasserquellen inspirieren und die Tür zu „einer neuen Klasse von Membranmaterialien für die Rohstoffrückgewinnung“ öffnen.

Innovatives Unternehmen

Albemarle Corporation (ALB )

Betrachtet man ein prominentes investierbares Unternehmen in diesem Bereich, so sticht Albemarle Corporation als globaler Marktführer in der Lithiumproduktion hervor, der in nachhaltige Extraktionstechnologien investiert.

Das Unternehmen betreibt Minen in Australien, Chile und den USA. Seine Lithiumressourcen, die Albemarle als „zu den größten und hochwertigsten der Welt“ bezeichnet, umfassen Hartgesteinsvorkommen und hypersalzhaltige Sole.

Albemarle steht jedoch vor Herausforderungen, die das Unternehmen letzten Sommer dazu veranlassten, ein EV‑Lithium‑Verarbeitungswerk in South Carolina, USA, im Wert von 1,3 Mrd. $ zu pausieren. Zur gleichen Zeit stoppte es die Erweiterung einer Produktionsanlage in Australien, wo es lithiumhydroxid in Batteriekvalität für EVs herstellt, aufgrund schwacher Lithiumpreise. Die Nachricht kam erst etwa ein Jahr, nachdem Albemarle seinen Plan zur Verdopplung der Produktion mitgeteilt hatte, wobei ein großer Teil des über 1 Mrd. $‑Verlustes im dritten Quartal 2024 auf die gescheiterte Erweiterung dieses Projekts zurückzuführen war.

Der Preisrückgang im Lithium‑Markt setzt sich fort aufgrund starker Produktion in Chile, Zöllen der Trump‑Administration und einer Abschwächung der Nachfrage nach den Feiertagen nach dem chinesischen Neujahr. Infolgedessen musste Albemarle nicht nur seine Expansionsprojekte abbrechen, sondern auch Personal reduzieren. 

Derzeit operiert Albemarle Corporation hauptsächlich über drei Hauptdivisionen – Energy Storage, Specialties und Ketjen. 

Die Energy‑Storage‑Division stellt Lithiumchlorid, Lithiumhydroxid und Lithiumcarbonat her. Das Specialties‑Segment optimiert hochspezialisierte Lithium‑ und Bromlösungen und bedient die Mobilitäts-, Energie-, Konnektivitäts‑ und Gesundheitsindustrien. Ketjen konzentriert sich auf Performance‑Catalyst‑Solutions (PCS), Clean‑Fuels‑Technologien (CFT) sowie Fluid‑Catalytic‑Cracking‑(FCC‑)Katalysatoren und -Additive, die den Luft‑ und Raumfahrt-, Automobil‑, konventionellen Energie‑, Netzspeicher‑ und anderen Märkten dienen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 8,78 Mrd. $ notieren die Albemarle‑Aktien derzeit bei 74,82 $, ein Rückgang von 12,28 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von -11,19 und ein KGV (TTM) von -6,74 auf, während die gezahlte Dividendenrendite 2,15 % beträgt. Am 27. Februar erklärte das Unternehmen eine vierteljährliche Stammaktien‑Dividende von 0,405 $ pro Aktie, zahlbar am 1. April.

Bezüglich der Finanzdaten meldete Albemarle für das vierte Quartal 2024 einen Nettoumsatz von 1,2 Mrd. $, während der Nettogewinn 75 Mio. $ bzw. 0,29 $ pro verwässerter Aktie betrug, und der adjustierte verwässerte Verlust pro Aktie bei (1,09 $) lag.

Der Nettoumsatz verzeichnete einen Rückgang von 48 % gegenüber dem Vorjahresquartal von 2,4 Mrd. $, was das Unternehmen auf niedrigere Preise und Volumina im Bereich Energy Storage zurückführt. Der Nettoumsatz der einzelnen Divisionen betrug – 617 Mio. $ in Energy Storage, 333 Mio. $ in Specialties und 282 Mio. $ in Ketjen.

Im vierten Quartal berichtete Albemarle zudem von einer Rekordproduktion in den Lithium‑Umwandlungsanlagen Meishan und La Negra. Allerdings plant das Unternehmen, seine Anlage in Chengdu, China, bis Mitte dieses Jahres zur Wartung zu schließen.

Für das Gesamtjahr meldete das Unternehmen einen Nettoumsatz von 5,4 Mrd. $ und einen Nettoverlust von 1,2 Mrd. $, während der operative Cashflow 702 Mio. $ betrug. Zum 31. Dezember 2024 verfügte Albemarle über etwa 2,8 Mrd. $ Liquidität, darunter 1,2 Mrd. $ in bar und Äquivalenten. Die Gesamtverschuldung lag hingegen bei 3,5 Mrd. $.

„Wir ergreifen entschiedene Maßnahmen, um Kosten zu senken, unser Umwandlungsnetz zu optimieren und die Effizienz zu steigern, um unsere langfristige Wettbewerbsposition zu sichern. Wenn wir nach vorne blicken, erwarten wir, dass dynamische Marktbedingungen anhalten, sind jedoch zuversichtlich, dass wir den Stakeholdern Wert liefern können, indem wir unsere finanzielle Flexibilität erhöhen, unsere Kernkompetenzen stärken und Albemarle für zukünftiges Wachstum positionieren.“

– CEO Kent Masters

Für 2025 erwartet das Unternehmen, dass seine Investitionsausgaben im Bereich von 700 Mio. $ bis 800 Mio. $ liegen, also 50 % weniger als die 1,7 Mrd. $ im Jahr 2024. Diese Ausgaben spiegeln laut Albemarle eine Priorisierung der Erhaltung bestehender Anlagen und Ressourcen wider.

Neueste Informationen zu Albemarle Corporation

Fazit 

In der heutigen hypermobilen Welt haben Elektrofahrzeuge sich als Lösung für das Nachhaltigkeitsproblem herauskristallisiert. EVs bieten eine Möglichkeit, CO₂‑Emissionen zu reduzieren und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Im Kern dieser Revolution steht die Batterietechnologie, die EVs dabei hilft, die Zukunft des Transports neu zu gestalten.

Ein Schlüsselbestandteil dieser Batterien ist Lithium, das nicht nur EVs, sondern auch viele moderne Geräte und Energiespeicher antreibt. Angesichts der Bedeutung von Lithium für die saubere Energiewende eilt die Welt, um eine stabile Lithiumversorgung zu sichern.

Konventionelle Lithium‑Extraktionsmethoden sind zwar effektiv, jedoch durch Umweltbedenken, ressourcenintensiven Abbau und lange Verarbeitungszeiten eingeschränkt. Durchbrüche wie der Einsatz von Festkörper‑Elektrolyt‑ (SSE‑) Membranen bieten eine transformative Lösung, da die Ermöglichung einer nachhaltigen und effizienten Lithiumgewinnung nicht nur drohende Lieferkettenprobleme lindern, sondern auch die Zukunft der Batteriefertigung neu definieren kann.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, ob die Nachfrage nach Lithium‑Ionen‑Batterien mit neuen Natrium‑Ionen‑Batterien stark zurückgehen wird.