地熱プールを活用してリチウム需要に応える

ますます増えるリチウムの探索

With the rise of EVs, the demand for lithium-ion batteries exploded, as did the need for lithium resources. This demand is expected to keep growing exponentially, with only the steepness of this curve in question, depending on the speed of EV adoption.

ソース： Statista

リチウムは抽出が困難であるため、これが問題を引き起こしています。過去には価格の激しい変動が起こり、バッテリーやEVメーカーの原材料コストが大きく変動しました。

ソース： Carbon Credit

現在、リチウムは主に硬岩や塩水の塩湖から生産されており、いずれも大量のエネルギーまたは水を消費します。

代替案として、地下の堆積物に存在する地熱塩水からリチウムを生成する方法があります。しかし、技術的にはこれが難しいとされています。

This might have changed thanks to the work of researchers at Rice University, who published their results in the prestigious publication PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) under the title “Three-chamber electrochemical reactor for selective lithium extraction from brine¹”.

リチウムはどこから来るのか？

Lithium makes up only 0.002% of the Earth’s crust and is rarely found in concentrated deposits that are commercially viable.

現在、世界のバッテリーと精製リチウムの大部分は中国から供給されています。この鉱物は主に「リチウムトライアングル」（チリ、アルゼンチン、ボリビア）や中国、オーストラリアで採掘されています。

ソース： Progress in Natural Science

このため、他国は代替資源として地下塩水（塩水）に注目しています。例えば、最近の調査で、アーカンソー州が石油・ガス埋蔵層の隣にある塩水に、米国でこれまで知られていた全リチウム埋蔵量を上回るリチウム資源を含んでいる可能性があることが判明しました。

これらの塩水はしばしば比較的高濃度のリチウムを含んでいます。しかし、他の鉱物も複雑に混在しているため、リチウムをどのように抽出するかが課題です。

これらの塩水は高濃度であるため、従来使用されてきた大規模な蒸発プールの代替として、直接リチウム抽出（DLE）が検討されています。

ソース： Euronews

直接リチウム抽出

Direct extraction targets the lithium atoms through a selective extraction process. This can be achieved through a few different methods:

• 吸着型DLE：リチウムが専用の材料に物理的に吸着される方式。
• イオン交換型DLE：リチウムが陽イオン（正イオン）と交換される方式。
• 溶媒抽出型DLE：有機液体溶媒がリチウムを吸収・溶解し、塩水から分離する方式。

ソース： Lithium Harvest

電気化学的リチウム抽出

Another option that has not been explored much is electrochemical lithium extraction. The idea is to use a powerful electric current to separate the lithium from the other minerals in the brine.

前述の通り、これらの塩水にはマグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムなど、イオンサイズや電荷が類似した多くの鉱物が含まれています。そのため、イオン特性のみを利用した方法ではリチウムだけを完全に選択するのが困難で、何度も繰り返す必要があります。

代替案として電流を使用することが考えられますが、塩水には塩化物イオンが多く含まれており、従来の電気化学プロセスでリチウムを分離すると、極めて有毒な塩素ガスが発生する恐れがあります。

Chlorine gas, also known as halogen, was notably used as a combat gas during World War 1. However, the problem of its production during electrochemical lithium extraction has so far blocked this technology from being commercially used.

バッテリー技術を利用したリチウム抽出

Paradoxically, innovations in battery technology might help solve the issue of lithium extraction for the very same batteries. The Rice University researchers used a newly developed lithium-ion conductive glass ceramic (LICGC) membrane, a technology often used in batteries but never before applied to lithium processing. LICGC is a solid electrolyte material that is a good candidate for the building of solid-state batteries.

The membrane is very effective in selectively letting only lithium ions pass through while holding back ions of the other chemicals.

3室電気化学リアクター

Traditional electrochemical reactors for lithium extraction are designed around 2 chambers: the first one contains the targeted brine, and the second contains the extracted lithium.

By adding the LICGC membrane in the middle, the researchers created an intermediary third chamber, where mostly only lithium can pass through the LICGC.

「我々の分野は長らくリチウム抽出の非効率性と環境影響に苦しんできました。このリアクターは、基礎科学と工学的創意工夫を組み合わせて実世界の課題を解決する力の証です。」
Haotian Wang, Rice associate professor of chemical and biomolecular engineering.

During the tests performed by the researchers, the lithium purity rate achieved 97.5%. Meanwhile, the concentrations of Na+ K+, Mg2+, and Ca2+ were so low that they fell below the detection limit of the researchers instruments.

More importantly, it is especially efficient at keeping away the chloride ions, dramatically reducing the production of chlorine gas. Instead of consuming a lot of power and creating harmful gases, only 6.4% of the total power reacted with chlorine ions in the new design.

 それでも、いくつかの課題は解決が必要です

During their testing, the researchers noticed a sodium ion build-up on the LICGC membrane. If left unchecked, this build-up could affect the efficiency of the reactor over time. So until this is solved, the 3-chamber electrochemical reactor will not be ready for commercial-scale deployment.

テスト中、研究者はLICGC膜上にナトリウムイオンが蓄積することに気付きました。この蓄積が放置されると、時間とともにリアクターの効率に影響を与える可能性があります。したがって、この問題が解決されるまで、3室電気化学リアクターは商業規模での導入にはまだ準備ができていません。

この問題を解決する可能性として、塩水を前処理してナトリウム含有量を減らす方法が検討されています。

別の方法として、ナトリウムイオンが膜に付着しないようにする特殊なコーティングを見つけることが考えられます。

リチウムとバッテリー技術への投資

Lithium-ion batteries have already changed the world several times, from allowing people to carry advanced electronics everywhere to powering cars with electricity only.

They might still do so again, or other types of batteries, by allowing for a 100% renewable power grid or allowing for airplane electrification when reaching a high enough energy density.

You can invest in battery-related companies through many brokers, and you can find here, on securities.io, our recommendations for the best brokers in the USA, Canada, Australia, the UK, as well as many other countries.

If you are not interested in picking specific lithium or battery companies, you can also look into biotech ETFs like Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), or the WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), which will provide a more diversified exposure to capitalize on the growing lithium and battery industry.

Or you can consult our “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.

直接リチウム抽出企業

Rin Tinto

Rio Tinto (RIO ) は鉱業界の大手（世界第2位）で、鉄鉱石の採掘をはじめ、銅、アルミニウム、金、ウランなどでも強い存在感を示しています。

Rio Tinto は急速に拡大しており、特にギニアのシマンドゥ大規模鉄鉱山プロジェクトやモンゴル史上最大規模の銅鉱山オユ・トルゴイプロジェクトが挙げられます。

今後5年間で、世界の銅供給増加量の25％を Rio Tinto が担うと予測されています。

最近、リチウム鉱業分野へ大規模に参入し、リチウム大手 Arcadium Lithium を買収しました。Arcadium は 2023 年に大手リチウム生産者 Allkem と Livent が合併して誕生した企業で、世界で3番目に大きいリチウム生産者となります。

ソース： Arcadium

The merger created a company in all lithium production and processing steps. Arcadium has expansion plans in place to more than double capacity by the end of 2028

Arcadium Innovations

DLE

Regarding this acquisition, what has been described as “Rio Tinto’s real prize” is Arcadium’s direct lithium extraction (DLE) technology. Arcadium has actually been working on DLE since 1996, in combination with evaporation pounds, and recently made significant progress in making it commercially viable as a stand-alone extraction method.

Notably, Livent acquired ILiAD Technologies in 2023.

「ILiAD テクノロジープラットフォームは、優れたリチウム選択吸着剤と連続逆流ベッド処理を組み合わせたものです」
「Livent は世界で最も先進的かつ最大規模の DLE ベース生産プロセスの実践者であり、ILiAD が DLE の未来にもたらす利点を認めてくれたことを大変嬉しく思います」

It seems that the long-term expertise of Arcadium with DLE, and the “vast range of lithium laden brines under a wide variety of conditions” of ILiAD were a prime reason for Rio Tinto’s decision to acquire Arcadium, on top of its low valuation due to the cyclical nature of lithium markets.

While in the long run, electrochemical lithium extraction might replace adsorbent-based methods, it is also likely that experience in scaled-up DLE will anyway payoff if this becomes the main lithium extraction method in the future.

Lithium Foil

Arcadium also developed LIOVIX, a form of printable lithium foil that could be used to boost battery performances, reduce manufacturing costs, and reduce lithium use.

ソース： Arcadium

Rio Tinto のグリーンプロファイル

Arcadium’s acquisition firmly put Rio Tinto in the camp of mining industry innovators after its innovation in copper extraction through its venture Nuton. Nuton’s new technology allows for a much higher rate of copper recovery from mined ore.

Rio Tinto のアルミニウム生産は低炭素、thanks to hydropower being used to refine bauxite into alumina and then aluminum.

Rio Tinto also invested in other lithium projects, recently acquiring the Ricon project in Argentina and the controversial Jadar lithium project in Serbia (potentially the largest lithium project in Europe).

Due to its recent acquisitions and new projects, Rio Tinto should increasingly be seen as an iron miner at the core, with an increasingly green profile and strong growth in all the metals required by the energy transition, especially copper, low-carbon aluminum, and lithium.

研究参照：

^{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}