Geotermisten suolaliuosten hyödyntäminen litiumtarpeen kattamiseksi

Litiumin kasvava kysyntä

Sähköautojen yleistyminen on kasvattanut litiumioniakkujen ja niiden raaka-aineen, litiumin, kysyntää nopeasti. Kysynnän odotetaan kasvavan edelleen, mutta kasvuvauhti riippuu muun muassa sähköautojen käyttöönoton nopeudesta.

Lähde: Statista

Litiumin tuotannon kasvattaminen ei ole ongelmatonta. Raaka-aineen voimakkaat hintavaihtelut ovat muuttaneet akkuja ja sähköautoja valmistavien yritysten tuotantopanosten kustannuksia huomattavasti.

Lähde: Carbon Credit

Litiumia tuotetaan nykyisin pääasiassa kovakivimalmeista ja suolaliuoksista. Menetelmät voivat vaatia runsaasti energiaa tai vettä.

Yksi vaihtoehto on erottaa litiumia maanalaisista geotermisistä suolaliuoksista. Tämä on kuitenkin ollut teknisesti haastavaa.

Rice-yliopiston tutkijoiden työ voi auttaa ratkaisemaan ongelmia. He julkaisivat tuloksensa PNAS-lehdessä (Proceedings of the National Academy of Sciences) artikkelissa ”Kolmikammioinen sähkökemiallinen reaktori litiumin valikoivaan erottamiseen suolaliuoksesta¹”.

Mistä litium tulee?

Litiumia on maankuoressa vain noin 0,002 %, ja taloudellisesti hyödynnettäviä, riittävän väkeviä esiintymiä on rajallisesti.

Kiina on keskeinen akkujen ja jalostettujen litiumtuotteiden valmistaja. Litiumia louhitaan muun muassa Australiassa ja Kiinassa sekä tuotetaan Etelä-Amerikan suolaliuoksista. Chilen, Argentiinan ja Bolivian muodostama ”litiumkolmio” tunnetaan suurista resursseistaan, vaikka maiden tuotantomäärät eroavat huomattavasti.

Lähde: Progress in Natural Science

Tämä on saanut muitakin maita etsimään vaihtoehtoisia lähteitä. Maanalaiset suolaliuokset ovat yksi mahdollisuus. Esimerkiksi tutkimuksessa arvioitiin, että Arkansasin öljy‑ ja kaasuesiintymien yhteydessä olevissa suolaliuoksissa saattaa olla enemmän litiumia kuin Yhdysvaltojen aiemmin tunnetuissa litiumivarannoissa yhteensä.

Näiden liuosten litiumpitoisuus voi olla suhteellisen korkea. Erottamista vaikeuttaa kuitenkin se, että ne sisältävät myös monia muita liuenneita aineita.

Suora litiumin erotus (DLE) on yksi vaihtoehto suurille haihdutusaltaille, joita suolaliuosten käsittelyssä on perinteisesti käytetty.

Lähde: Euronews

Suora litiumin erotus

Suorassa erotuksessa litiumionit otetaan talteen valikoivalla menetelmällä. Tämä voidaan tehdä usealla eri tavalla:

• Adsorptioon perustuvassa DLE-menetelmässä litium sitoutuu tarkoitukseen suunnitellun materiaalin pinnalle.
• Ioninvaihtoon perustuvassa DLE-menetelmässä litiumionit vaihtavat paikkaa materiaalin muiden kationien eli positiivisten ionien kanssa.
• Liuotinuutossa orgaaninen neste erottaa litiumia suolaliuoksesta omaan faasiinsa.

Lähde: Lithium Harvest

Litiumin sähkökemiallinen erotus

Toinen tutkittava vaihtoehto on sähkökemiallinen litiumin erotus. Siinä sähkökemiallinen järjestelmä ja ioniselektiiviset materiaalit erottavat litiumin liuoksen muista aineista.

Suolaliuoksissa on myös magnesiumia, kalsiumia, natriumia ja kaliumia. Näiden ionien ominaisuuksien samankaltaisuudet vaikeuttavat valikoivaa erotusta, ja riittävän puhtaan tuotteen saaminen voi vaatia useita käsittelyvaiheita.

Sähkökemiallisessa käsittelyssä ongelmana on lisäksi kloridi-ionien suuri määrä. Anodilla kloridi voi hapettua myrkylliseksi kloorikaasuksi, mikä vaikeuttaa litiumin turvallista erottamista.

Kloori kuuluu halogeeneihin, ja kloorikaasua käytettiin taistelukaasuna ensimmäisessä maailmansodassa. Sen muodostumisen ehkäiseminen on tärkeä turvallisuuskysymys sähkökemiallisen litiumin erotuksen kehittämisessä.

Akkuteknologian hyödyntäminen litiumin erotuksessa

Akkumateriaalien kehitys voi auttaa myös akkujen tarvitseman litiumin tuotannossa. Rice-yliopiston tutkijat käyttivät litiumioneja johtavaa lasikeraamista LICGC-kalvoa. Tällaisia kiinteitä elektrolyyttimateriaaleja tutkitaan myös kiinteän elektrolyytin akuissa.

Kalvo päästää litiumioneja lävitseen valikoivasti ja rajoittaa muiden ionien kulkeutumista.

Kolmikammioinen sähkökemiallinen reaktori

Perinteisissä tutkituissa sähkökemiallisissa erotusreaktoreissa on usein kaksi kammiota. Niiden väliset kalvot ja elektrodireaktiot ohjaavat ionien kulkeutumista ja litiumin talteenottoa.

Tutkijat lisäsivät järjestelmään kolmannen kammion. Suolaliuos johdettiin keskikammioon, ja LICGC-kalvo erotti sen katodikammiosta päästäen litiumioneja valikoivasti lävitseen. Anodin puolella käytettiin toista ioninvaihtokalvoa, mikä auttoi vähentämään kloridin pääsyä anodille.

”Alamme on pitkään kamppaillut litiumin erotuksen tehottomuuden ja ympäristövaikutusten kanssa. Tämä reaktori osoittaa, miten perustutkimuksen ja kekseliään insinöörityön yhdistämisellä voidaan ratkaista käytännön ongelmia.”

Haotian Wang, Rice-yliopiston kemian ja biomolekyylitekniikan apulaisprofessori.

Kokeissa litiumionien kuljetusluku saavutti 97,5 %. Se kuvaa litiumionien osuutta kalvon läpi kulkevasta ionivirrasta eikä sellaisenaan lopputuotteen massaprosenttista puhtautta. Natrium-, kalium-, magnesium- ja kalsiumionien mitatut pitoisuudet olivat erittäin pieniä, alle käytettyjen mittalaitteiden havaitsemisrajan.

Kolmikammioinen rakenne vähensi myös klooriin liittyviä sivureaktioita. Kloorin ja hypokloorihapokkeen muodostumisen faradinen hyötysuhde oli kokeessa 6,4 %, kun kaksikammioisella vertailulaitteella se oli 14,3 %. Luku kuvaa sähkövarauksen osuutta kyseisissä reaktioissa, ei kokonaistehon kulutusta.

 Ratkaistavia ongelmia on yhä

Tutkijat havaitsivat kokeissa natriumionien kertymistä LICGC-kalvolle. Tämä voi ajan mittaan heikentää reaktorin toimintaa. Kalvon pitkäaikaisen suorituskyvyn turvaaminen on siksi tärkeää ennen kaupallisen mittakaavan käyttöönottoa.

Yksi mahdollinen ratkaisu on suolaliuoksen esikäsittely, jolla natriumpitoisuutta pienennetään.

Toinen vaihtoehto on kehittää kalvolle pinnoite, joka ehkäisee natriumionien kiinnittymistä.

Sijoittaminen litiumiin ja akkuteollisuuteen

Litiumioniakut ovat jo muuttaneet maailmaa mahdollistamalla kannettavan elektroniikan laajan käytön ja sähköautojen yleistymisen.

Litiumioniakut ja muut akkutyypit voivat tulevaisuudessa tukea uusiutuvaan energiaan perustuvaa sähköjärjestelmää. Riittävän suuri energiatiheys voisi mahdollistaa myös uusia lentoliikenteen sähköistämisen sovelluksia.

Akkualan yrityksiin voi sijoittaa monen välittäjän kautta. Securities.io-sivustolta löydät vertailumme osakevälittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Britanniassa ja monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä litium- tai akkuyhtiöitä, voit tutustua alan ETF-rahastoihin, kuten Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:n Lithium & Battery Tech ETF (LIT) tai WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Ne tarjoavat hajautetumpaa altistusta litium- ja akkuteollisuudelle, mutta niidenkin arvoon liittyy sijoitusriskejä.

Voit myös tutustua artikkeliimme ”10 kiinnostavaa akkumetallien ja uusiutuvan energian kaivososaketta”.

Suoraan litiumin erotukseen panostava yritys

Rio Tinto

Rio Tinto (RIO ) on maailman suurimpia kaivosyhtiöitä. Sen toimintaan kuuluvat muun muassa rautamalmi, kupari, alumiini, kulta ja uraani.

Rio Tinto kasvattaa toimintaansa muun muassa Guinean suuren Simandou-rautamalmihankkeen ja Mongolian Oyu Tolgoi -kuparikaivoksen avulla.

Yhtiön odotettiin tuottavan 25 % maailman kuparitarjonnan kasvusta seuraavien viiden vuoden aikana.

Lokakuussa 2024 Rio Tinto sopi litiumyhtiö Arcadium Lithiumin ostamisesta. Kauppa oli tuolloin vielä ehdollinen ja sen odotettiin toteutuvan vuonna 2025. Arcadium oli syntynyt Allkemin ja Liventin fuusion toteuduttua tammikuussa 2024, ja se kuului maailman suurimpiin litiumintuottajiin.

Lähde: Arcadium

Fuusio yhdisti toimintoja litiumin tuotanto- ja jalostusketjun eri vaiheista. Arcadiumin suunnitelmana oli yli kaksinkertaistaa tuotantokapasiteettinsa vuoden 2028 loppuun mennessä.

Arcadiumin innovaatiot

DLE

Yrityskaupan yhteydessä Arcadiumin suoraa litiumin erotusta (DLE) on kuvattu ”Rio Tinton todelliseksi palkinnoksi”. Arcadiumin edeltäjä Livent on käyttänyt DLE-menetelmää vuodesta 1996 yhdessä haihdutusaltaiden kanssa. Alan kehitystyössä pyritään vähentämään riippuvuutta haihdutuksesta ja parantamaan suoran erotuksen kaupallista toimivuutta.

Vuonna 2023 Livent hankki vähemmistöosuuden ILiAD Technologiesin emoyhtiöstä ja oikeuden lisensoida sen teknologiaa.

”ILiAD-teknologia-alusta yhdistää tehokkaan litiumselektiivisen adsorbentin jatkuvaan vastavirtaperiaatteella toimivaan petikäsittelyyn.”

”Livent on maailman johtava DLE-pohjaisten tuotantoprosessien soveltaja ja suurin käyttäjä. Olemme iloisia siitä, että yhtiö on tunnistanut ILiADin edut DLE:n tulevaisuudelle.”

Arcadiumin pitkä DLE-kokemus ja ILiADin kyky käsitellä erilaisia litiumpitoisia suolaliuoksia voivat selittää teknologian kiinnostavuutta Rio Tintolle. Kaupan ajoitukseen liittyi myös litiumin syklinen markkinatilanne ja alhaiset hinnat.

Sähkökemiallinen litiumin erotus voi pitkällä aikavälillä täydentää tai korvata joitakin adsorptioon perustuvia menetelmiä. Kaupallisen mittakaavan DLE-kokemuksesta voi silti olla hyötyä riippumatta siitä, mikä teknologia yleistyy.

Painettava litium

Arcadium kehitti myös LIOVIX-tuotteen, joka on painettavaksi soveltuva litiumseos. Sen tavoitteena on parantaa akkujen suorituskykyä, alentaa valmistuskustannuksia ja tehostaa litiumin käyttöä.

Lähde: Arcadium

Rio Tinton vihreä profiili

Suunniteltu Arcadium-kauppa vahvistaisi Rio Tinton asemaa uusien kaivosteknologioiden kehittäjänä. Yhtiö on kehittänyt kuparin talteenottoa myös Nuton-hankkeensa kautta. Sen teknologialla pyritään saamaan malmista talteen aiempaa suurempi osuus kuparista.

Rio Tinto tuottaa myös vähähiilistä alumiinia. Vesivoiman käyttö erityisesti energiaintensiivisessä alumiinin sulatuksessa vähentää tuotannon päästöjä.

Rio Tinto on investoinut myös muihin litiumhankkeisiin, kuten Argentiinan Rincon-hankkeeseen ja Serbian kiistanalaiseen Jadar-hankkeeseen, joka voisi olla Euroopan suurimpia litiumhankkeita.

Yrityskaupat ja uudet hankkeet voivat monipuolistaa Rio Tinton profiilia rautamalmipainotteisesta yhtiöstä laajemmaksi energiasiirtymän metallien tuottajaksi. Erityisesti kupari, vähähiilinen alumiini ja litium ovat tässä kehityksessä keskeisiä.

Tutkimusviite:

^{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). Kolmikammioinen sähkökemiallinen reaktori litiumin valikoivaan erottamiseen suolaliuoksesta. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(47), e2410033121. https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121}