Geothermische Quellen nutzen, um unseren Lithiumbedarf zu decken

Die Jagd nach immer mehr Lithium

Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen ist die Nachfrage nach Lithium‑Ion‑Batterien explodiert, ebenso wie der Bedarf an Lithiumressourcen. Es wird erwartet, dass diese Nachfrage exponentiell weiter wächst, wobei nur die Steilheit dieser Kurve fraglich ist, abhängig von der Geschwindigkeit der EV‑Einführung.

Quelle: Statista

Dies hat Probleme verursacht, da Lithium schwer zu extrahieren ist. In der Vergangenheit führte dies zu wilden Preisschwankungen, wodurch die Input‑Kosten für Batterie‑ und EV‑Hersteller stark schwankten.

Quelle: Carbon Credit

Derzeit wird Lithium hauptsächlich aus Hartgestein oder salzhaltigen Brine gewonnen, beides erfordert viel Energie‑ bzw. Wasserverbrauch.

Eine Alternative wäre die Gewinnung von Lithium aus geothermischen Brinen, dem Wasser, das in unterirdischen Lagerstätten vorkommt. Dies war jedoch aus technischer Sicht bislang schwierig.

Dies könnte sich dank der Arbeit von Forschern der Rice University geändert haben, die ihre Ergebnisse in der renommierten Publikation PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) unter dem Titel “Three-chamber electrochemical reactor for selective lithium extraction from brine¹” veröffentlicht haben.

Woher kommt Lithium?

Lithium macht nur 0,002 % der Erdkruste aus und ist selten in konzentrierten Lagerstätten zu finden, die wirtschaftlich abbaubar sind.

Derzeit stammen die meisten Batterien und das raffinierte Lithium der Welt aus China. Das Mineral selbst wird hauptsächlich im „Lithium‑Dreieck“ (Chile, Argentinien, Bolivien), in China und Australien abgebaut.

Quelle: Progress in Natural Science

Dies hat andere Länder dazu veranlasst, nach alternativen Quellen zu suchen, wobei unterirdische Brine (salzhaltiges Wasser) ein guter Kandidat sind. Zum Beispiel wurde kürzlich entdeckt, dass Arkansas möglicherweise mehr Lithiumressourcen in Brinen neben Öl‑ und Gasvorkommen enthält als alle zuvor bekannten Lithiumreserven in den USA.

Diese Brinen enthalten oft eine relativ hohe Lithiumkonzentration. Das Problem besteht darin, das Lithium aus diesen Brinen zu extrahieren, da sie meist ein komplexes Gemisch anderer Mineralien enthalten.

Da diese Brinen stark konzentriert sind, wird die direkte Lithiumextraktion (DLE) als Alternative zu den bisher genutzten großen Verdunstungsbecken in Betracht gezogen.

Quelle: Euronews

Direkte Lithiumextraktion

Direkte Extraktion zielt darauf ab, die Lithium‑Atome durch einen selektiven Extraktionsprozess zu isolieren. Dies kann durch einige verschiedene Methoden erreicht werden:

• Adsorptionsbasierte DLE, bei der das Lithium physisch von einem speziellen Material absorbiert wird.
• Ionen­austauschbasierte DLE, bei der das Lithium gegen Kationen (positive Ionen) ausgetauscht wird.
• Lösungsmittelextraktionsbasierte DLE, bei der ein organisches Lösungsmittel das Lithium aus der Brine aufnimmt und löst.

Quelle: Lithium Harvest

Elektrochemische Lithiumextraktion

Eine weitere Option, die bisher wenig erforscht wurde, ist die elektrochemische Lithiumextraktion. Die Idee ist, einen starken elektrischen Strom zu nutzen, um das Lithium von den anderen Mineralien in der Brine zu trennen.

Wie bereits erwähnt, enthalten diese Brinen viele andere Mineralien mit ähnlichen Ionen­größen und -ladungen, darunter Magnesium, Calcium, Natrium und Kalium. Das macht jede Methode, die nur auf Ionen­eigenschaften basiert, schwierig, da man sie vielfach wiederholen muss, um ausschließlich das Lithium zu selektieren.

Eine Alternative könnte sein, stattdessen elektrischen Strom zu verwenden, doch die Brinen enthalten häufig viele Chlorid‑Ionen, die bei herkömmlichen elektrochemischen Prozessen zu extrem giftigem Chlorgas führen können, wenn man versucht, das Lithium zu isolieren.

Chlorgas, auch als Halogen bekannt, wurde im Ersten Weltkrieg als Kampf­gas eingesetzt. Das Problem seiner Entstehung während der elektrochemischen Lithiumextraktion hat diese Technologie bislang daran gehindert, kommerziell genutzt zu werden.

Battery‑Technologie für die Lithiumextraktion nutzen

Paradoxerweise könnten Innovationen in der Batterietechnologie das Problem der Lithiumextraktion für genau diese Batterien lösen. Die Forscher der Rice University nutzten eine neu entwickelte lithium‑ion‑leitende Glaskeramik‑Membran (LICGC), eine Technologie, die häufig in Batterien verwendet wird, aber bislang nie zur Lithiumverarbeitung eingesetzt wurde. LICGC ist ein Festelektrolyt, das ein guter Kandidat für den Bau von Festkörperbatterien ist.

Die Membran lässt sehr effektiv nur Lithium‑Ionen durch, während sie die Ionen anderer Chemikalien zurückhält.

3‑Kammer‑Elektrochemischer Reaktor

Traditionelle elektrochemische Reaktoren für die Lithiumextraktion sind um zwei Kammern gebaut: Die erste enthält die Ziel‑Brine, die zweite das extrahierte Lithium.

Durch das Einsetzen der LICGC‑Membran in die Mitte schufen die Forscher eine Zwischen‑dritte Kammer, durch die fast ausschließlich Lithium die LICGC passieren kann.

„Unser Feld hat lange unter den Ineffizienzen und Umweltauswirkungen der Lithiumextraktion gelitten. Dieser Reaktor ist ein Beweis für die Kraft, grundlegende Wissenschaft mit ingenieurtechnischer Einfallsreichtum zu verbinden, um reale Probleme zu lösen.“

Haotian Wang, Associate Professor für Chemie‑ und Biomolekular­ingenieurwesen an der Rice University.

Während der von den Forschern durchgeführten Tests erreichte die Lithiumreinheit 97,5 %. Gleichzeitig waren die Konzentrationen von Na⁺, K⁺, Mg²⁺ und Ca²⁺ so niedrig, dass sie unter die Nachweisgrenze der Messgeräte fielen.

Noch wichtiger: Der Reaktor ist besonders effizient darin, Chlorid‑Ionen fernzuhalten, wodurch die Produktion von Chlorgas dramatisch reduziert wird. Statt viel Energie zu verbrauchen und schädliche Gase zu erzeugen, reagierten nur 6,4 % der Gesamtenergie mit Chlorid‑Ionen im neuen Design.

 Dennoch müssen einige Probleme behoben werden

Während ihrer Tests bemerkten die Forscher eine Natrium‑Ion‑Ansammlung auf der LICGC‑Membran. Bleibt dies unbehandelt, könnte diese Anhäufung die Effizienz des Reaktors im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Solange dieses Problem nicht gelöst ist, wird der 3‑Kammer‑Elektrochemische Reaktor nicht für den kommerziellen Einsatz in großem Maßstab bereit sein.

Eine der in Betracht gezogenen Möglichkeiten zur Lösung des Problems wäre, die Brine vorzuverarbeiten, um den Natriumgehalt zu reduzieren.

Ein weiterer Ansatz wäre, spezialisierte Membran‑Beschichtungen zu finden, die das Anhaften von Natrium‑Ionen von vornherein verhindern.

Investitionen in Lithium und Batterietechnologie

Lithium‑Ion‑Batterien haben die Welt bereits mehrfach verändert, von der Möglichkeit, fortgeschrittene Elektronik überallhin mitzunehmen, bis hin zur Versorgung von Fahrzeugen ausschließlich mit Strom.

Sie könnten dies erneut tun, oder andere Batterietypen, indem sie ein zu 100 % erneuerbares Stromnetz ermöglichen oder die Elektrifizierung von Flugzeugen ermöglichen, sobald eine ausreichend hohe Energiedichte erreicht ist.

Sie können in batteriebezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren; hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, das Vereinigte Königreich sowie viele andere Länder.

Wenn Sie nicht gezielt einzelne Lithium‑ oder Batterieunternehmen auswählen möchten, können Sie auch in Biotech‑ETFs wie den Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) investieren, die ein breiteres Exposure bieten, um vom wachsenden Lithium‑ und Batteriemarkt zu profitieren.

Oder Sie können unsere „Top‑10‑Batteriemetalle & erneuerbare‑Energie‑Mining‑Aktien“ konsultieren.

Unternehmen für direkte Lithiumextraktion

Rin Tinto

Rio Tinto (RIO ) ist ein Riese der Bergbauindustrie (der weltweit zweitgrößte) mit starker Präsenz im Eisenerzabbau sowie in Kupfer, Aluminium, Gold, Uran usw.

Rio Tinto expandiert schnell, insbesondere mit dem Megaeisenbergprojekt Simandou in Guinea und der Oyu Tolgoi‑Kupfermine, dem größten Projekt in der Geschichte der Mongolei.

Rio Tinto wird voraussichtlich in den nächsten fünf Jahren 25 % des Wachstumsvolumens der globalen Kupferversorgung bereitstellen.

Kürzlich hat das Unternehmen einen massiven Einstieg in den Lithium‑Bergbausektor vollzogen, mit der Übernahme des Lithium‑Giganten Arcadium Lithium , der selbst das Ergebnis der Fusion im Jahr 2023 großer Lithiumproduzenten Allkem & Livent ist und damit zum drittgrößten Lithiumproduzenten der Welt wurde.

Quelle: Arcadium

Die Fusion schuf ein Unternehmen, das alle Produktions‑ und Verarbeitungsschritte von Lithium abdeckt. Arcadium plant, die Kapazität bis Ende 2028 mehr als zu verdoppeln.

Arcadium Innovations

DLE

Im Zusammenhang mit dieser Übernahme wird das, was als „Rio Tinitos echter Preis“ bezeichnet wird, die direkte Lithiumextraktions‑Technologie (DLE) von Arcadium. Arcadium arbeitet tatsächlich seit 1996 an DLE, in Kombination mit Verdunstungsbecken und hat kürzlich bedeutende Fortschritte erzielt, um diese als eigenständige Extraktionsmethode kommerziell nutzbar zu machen.

Bemerkenswert ist, dass Livent 2023 ILiAD Technologies übernommen hat.

„Die ILiAD‑Technologieplattform kombiniert ein überlegenes, lithiumselektives Adsorbens mit einer kontinuierlichen Gegenstrom‑Bettschicht‑Verarbeitung.“

„Livent ist der weltweit führende Praktiker und größte Nutzer von DLE‑basierten Produktionsprozessen, und wir freuen uns, dass sie die Vorteile von ILiAD für die Zukunft von DLE anerkennen.“

Es scheint, dass die langjährige Expertise von Arcadium im Bereich DLE und die „große Bandbreite an lithiumhaltigen Brinen unter verschiedensten Bedingungen“ von ILiAD ein Hauptgrund für Rio Tinitos Entscheidung waren, Arcadium zu übernehmen, zusätzlich zu seiner niedrigen Bewertung aufgrund der zyklischen Natur der Lithiummärkte.

Während langfristig die elektrochemische Lithiumextraktion die adsorptionsbasierten Methoden ersetzen könnte, ist es wahrscheinlich, dass die Erfahrung mit skalierten DLE‑Verfahren dennoch von Nutzen sein wird, falls diese Methode künftig die Haupt‑Lithiumextraktion darstellt.

Lithiumfolie

Arcadium entwickelte zudem LIOVIX, eine druckbare Lithiumfolie, die die Batterieleistung steigern, die Herstellungskosten senken und den Lithiumverbrauch reduzieren könnte.

Quelle: Arcadium

Rio Tinitos Grünes Profil

Arcadiums Übernahme hat Rio Tinto fest im Lager der Innovationsführer der Bergbauindustrie verankert, nach seiner Innovation im Kupferabbau durch das Venture Nuton. Nutons neue Technologie ermöglicht eine deutlich höhere Kupferausbeute aus abgebautem Erz.

Rio Tinitos Aluminiumproduktion ist kohlenstoffarm, dank der Nutzung von Wasserkraft zur Raffinierung von Bauxit zu Aluminiumoxid und anschließend zu Aluminium.

Rio Tinto hat zudem in weitere Lithiumprojekte investiert, kürzlich das Ricon‑Projekt in Argentinien und das umstrittene Jadar‑Lithium‑Projekt in Serbien (potenziell das größte Lithiumprojekt Europas) übernommen.

Durch die jüngsten Akquisitionen und neuen Projekte sollte Rio Tinto zunehmend als reiner Eisenerz‑Miner mit einem immer grüneren Profil und starkem Wachstum in allen für die Energiewende erforderlichen Metallen, insbesondere Kupfer, kohlenstoffarmem Aluminium und Lithium, wahrgenommen werden.

Studienreferenz:

^{1. Feng, Y., Park, Y., Hao, S., Fang, Z., Terlier, T., Zhang, X., Qiu, C., Zhang, S., Chen, F., Zhu, P., Nguyen, Q., Wang, H., & Biswal, S. L. (2024). Three-chamber electrochemical reactor for selective lithium extraction from brine. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(47), e2410033121. https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121}