Het verhogen van de efficiëntie van lithium‑ en mineraalwinning met kunstmatige leliebladen

Een alternatief voor het delven van mineralen

Als het gaat om het produceren van de belangrijkste mineralen die de wereldwijde industrieën voeden, zijn er eigenlijk slechts 3 mogelijke bronnen: het delven van gesteente, recycling en het zuiveren van opgeloste mineralen. Voor materialen zoals ijzer en aluminium zijn traditionele mijnen de primaire leveranciers, waarbij recycling ook bijdraagt.

Voor materialen zoals lithium is een van de belangrijkste bronnen echter brines, mineraalrijke wateren die moeten worden verdampt om de daarin aanwezige mineralen te verzamelen. Een vergelijkbare methode wordt vaak gebruikt voor de productie van de twee belangrijkste kunstmeststoffen: nitraat en potas.

Deze methode vereist enorme verdampingsvijvers die duizenden hectare beslaan, waardoor een zware milieukost op de lokale ecosystemen wordt afgewenteld.

Bron: SQM

Tot nu toe is dit bereikt door uitsluitend te vertrouwen op de stralen van de zon om de vijvers te verwarmen en het water te verdampen. Dit is verre van een efficiënt proces, vandaar de enorme benodigde oppervlakten.

Dit zou wel eens kunnen veranderen, dankzij een nieuw materiaal dat de verdamping kan versnellen, ontwikkeld door onderzoekers van Princeton University in samenwerking met de lithiumproductiegigant Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ).

Ze publiceerden hun uitvinding in Nature Water¹, onder de titel “Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining”.

Massaproductie van lithium

(Niet zo duurzaam) groene energie

Wanneer lithium niet uit gesteente (spodumenafzettingen) wordt gewonnen, wordt het voornamelijk aangetroffen in minerale brines, gemengd met andere zouten en opgeloste mineralen. De brine wordt meestal gewonnen uit ondergrondse wateren of gecreëerd door lithium uit mineraalrijke afzettingen te uitloggen met zoet water.

Momenteel worden er wereldwijd tienduizenden hectare zonnevijvers gebruikt voor de winning van lithium, waarbij Chili 6.000 hectare (14.800 acres) heeft.

Deze methode legt extreme druk op de watervoorziening van deze regio’s. Het maakt de situatie nog erger, omdat lithiumrijke gebieden over het algemeen woestijnen zijn, waardoor lithium in eerste instantie geconcentreerd is in economisch rendabele afzettingen. Daarom kan het beperkte beschikbare water volledig worden omgeleid naar de lithiumindustrie, waardoor lokale ecosystemen en gemeenschappen in gevaar komen.

Energieverbruik

Deze verdampingsvijvers zijn een methode om zonne‑energie “gratis” te benutten. Het is een superieure optie ten opzichte van alternatieven die elektriciteit gebruiken, zoals mechanische dampcompressie of ultrahoge druk omgekeerde osmose.

Hoewel ze waarschijnlijk ecologischer zijn, zouden deze op elektriciteit gebaseerde methoden onmogelijk op schaal te implementeren zijn. Bijvoorbeeld, alleen de Chileense verdampingsvijvers benutten 65 TWh zonne‑energie, wat meer dan 70% van de totale jaarlijkse productie van Chili (~90 TWh per jaar) overschrijdt.

Een belangrijk probleem is dat, hoewel het goedkoop is, de verdampingsvijvermethode verre van efficiënt is. Minder dan de helft van de zonne‑energie wordt omgezet in thermische energie, die bijdraagt aan verdamping.

Hier komt de uitvinding van de onderzoekers van Princeton om de hoek kijken.

Kunstmeststoffen

Niet alleen lithium, maar ook kunstmeststoffen kunnen worden geproduceerd via verdampingsvijvers. Opmerkelijk is dat SQM jaarlijks 1,5 miljoen ton nitratzouten uit caliche‑erts en salar‑brines produceert.

Bron: SQM

Dit maakt deel uit van een complexe chemische mengsel die SQM uit brines haalt, waaronder lithiumchloride, kaliumchloride, magnesiumchloride, boorzuur en kaliumsulfaat. Het kalium wordt vervolgens gemengd om kaliumnitraat te vormen.

Hoewel het geen significante bron van kunstmest is vergeleken met directe winning of de synthese van stikstofgebaseerde kunstmeststoffen met behulp van aardgas (Haber‑Bosch‑proces), is dit een ander milieubelastend productieproces dat verbeterd kan worden door efficiëntere verdampingsvijvers.

Verdamping optimaliseren

Eerdere ontdekkingen

Het nieuwste R&D-werk om de efficiëntie van verdampingsvijvers te verhogen, is gebaseerd op eerder werk van dezelfde onderzoekers en anderen in dit vakgebied. Ze hadden gewerkt aan het fenomeen dat interfaciale zonneverdamping (ISE) wordt genoemd.

Het kernconcept van ISE is het gebruik van een sterk lichtabsorberend materiaal om bijna 100% van de zonne‑straling op te vangen, terwijl het tevens het zoute, mineraalrijke water absorbeert.

Bron: ResearchGate

Extra vooruitgang is ook geboekt om zoutophoping en kristallisatie te voorkomen, wat de efficiëntie na verloop van tijd zou verminderen, met name verbetering van zoutterugstroom, Janus‑structuurontwerpen, en directionele kristallisatie.

Een publiek‑private samenwerking

Dit werk werd uitgevoerd als onderdeel van het START Innovators‑programma van de universiteit. Het programma, een combinatie van academische fellowship en startup‑accelerator, stelde onderzoekers in staat hun technologie verder te ontwikkelen terwijl ze een businessplan opstelden en vroege ondernemingen opbouwden.

“Het helpen cultiveren van een ecosysteem waarin onze faculteit en onderzoekers hun technologieën effectief kunnen vertalen naar de commerciële sector, is een kernfunctie van het Office of Innovation.”

Craig Arnold – Vice Dean for Innovation and University Innovation Officer. 

Deze aanpak is erop gericht de overdracht van technologie van laboratoriumideeën naar industriële schaal te versnellen en de technische vaardigheden van de academische onderzoekers beter te vertalen naar praktische toepassingen.

“Wat we kunnen doen met onderzoekers zoals professor Ren en zijn team, is hen helpen hun denkwijze over hun ideeën te heroriënteren. Ons doel is om de perspectieven van de deelnemers radicaal te verschuiven, zodat ze ons programma verlaten met een volledig ander perspectief dan bij binnenkomst.

We stellen hen complexe vragen die buiten het traditionele bereik van een onderzoeker kunnen vallen, maar essentieel zijn voor het vertalen van academische innovaties naar succesvolle resultaten.”

Nena Golubovic – Director of the Design for Impact program in Sciences and Engineering

Dit lijkt te hebben gewerkt, waarbij de technologie van “kleine prototypes in kinderzwembadjes” naar het testen van commercialisatie‑klare producten in mineraalproductiefaciliteiten in Zuid‑Amerika is gegaan in minder dan 2 jaar.

“Princeton leverde de basis, het ecosysteem en de middelen die ons de vaardigheden en kennis hebben bijgebracht die we nodig hebben om als klein bedrijf te slagen.”

Sean Zheng – Princeton Critical Minerals’ CEO (formerly PureLi)

Efficiëntie verhogen

Terwijl het vorige prototype hout gebruikte als waterdragend materiaal, hebben de onderzoekers gedraaide cellulosevezel‑kristallisatoren uitgevonden. Deze maken niet alleen snelle waterverdamping mogelijk, maar ook ruimtelijk gescheiden kristallisatie voor selectieve lithiumwinning.

Ze gebruikten ook eigen coatings voor onze koolstof‑gebaseerde materialen, waardoor snelle verdamping, mineraal scheiding en antiverontreinigende eigenschappen mogelijk zijn.

De startup Princeton Critical Minerals testte haar eerste prototype in een echte lithium‑verdampingsvijver die eigendom is van SQM, gevormd als een lelieblad dat op het wateroppervlak drijft.

Bron: ResearchGate

Wanneer het wordt waargenomen met een thermische camera, is duidelijk dat het wateroppervlak veel heter is, met name hotspots in een speciaal gebied van het kunstmatige lelieblad. Het ontwerp bleek in staat 96% van de zonne‑energie om te zetten in thermische energie, vergeleken met de 50% efficiëntie van open vijvers.

Bron: ResearchGate

Dit heeft de verdampingssnelheid radicaal verbeterd, die gemiddeld verdubbelde (40–122% toename afhankelijk van de brine‑concentraties). Het had ook het effect dat het waterverlies naar de bodem van de vijver sterk werd verminderd, omdat het proces veel sneller plaatsvond.

Bron: ResearchGate

Vervolgonderzoek

De thermische cameragegevens bewezen dat de belangrijkste manier waarop de kunstmatige leliebladen werken, is door de zonnewarmte aan het oppervlak van de vijver te behouden, waar het daadwerkelijk verdamping veroorzaakt, in plaats van aan de bodem, waar de warmte verloren gaat.

Aangezien temperatuur de oplosbaarheid van mineralen beïnvloedt, zou het kunnen dat verdere afstemming van de temperatuur op het oppervlak van de leliebladen de lithiumproductie nog verder kan verbeteren.

“Deze vragen kwamen pas naar voren toen we de resultaten van de veldtesten zagen. Als we ons werk in het laboratorium hadden gehouden, zouden deze nieuwe richtingen misschien nooit zijn ontstaan.”

Z. Jason Ren – Professor of civil and environmental engineering

Een volgende stap zal zijn om massaproductie van de kunstmatige leliebladen te starten en de economie van het apparaat te onderzoeken, evenals mogelijke langetermijnbusinessmodellen voor Princeton Critical Minerals.

Lithiumverdampingsbedrijven

SQM is het op één na grootste lithiummijnbedrijf ter wereld, met activa in Chili en lithium dat het grootste deel van de bedrijfsactiviteiten uitmaakt. Het is ook marktleider in de productie van kaliumnitraat van natuurlijke oorsprong en verkoopt speciale chemicaliën zoals jodium, kaliumchloride, boorzuur en magnesiumchloriden.

Bron: SQM

In april 2023 moest het bedrijf omgaan met een stap van Chili die een gedeeltelijke nationalisatie van de lithiumindustrie van het land dreigt. Na de eerste schok verduidelijkten verdere details over het plan dat het land nog steeds van plan was om privé‑buitenlandse investeringen aan te trekken.

Meer specifiek is het nationale lithiumbedrijf Coldeco een contract met SQM aan het heronderhandelen, en zullen andere lithiumafzettingen worden aangeboden voor exploitatie. Het bestaande contract zal desalniettemin worden gerespecteerd en loopt tot 2030.

Omdat de onderhandelingen nog gaande zijn, is er zeer weinig informatie beschikbaar, en is het moeilijk om de langetermijn toekomst van SQM te voorspellen. Toch is Chili een land dat sterk afhankelijk is van mijnbouw voor zijn economie, en de eerste tegenreactie op de nationalisatieplannen, die niet alleen het vertrouwen in lithium maar in de gehele mijnbouw aantast, heeft de regering gedwongen haar ambities te beperken (voorlopig?).

De dreiging van nationalisatie werd gevolgd door een langdurige daling van de internationale lithiumprijzen, wat heeft geleid tot een daling van de aandelenkoers van het bedrijf, die onder het piekniveau eind 2022 ligt.

Bron: Carbon Credit

Lithium had een groei van de verkoopvolumes (+13%), aanzienlijk lagere gemiddelde verkoopprijzen jaar-op-jaar (-41%) in 4Q2024 vs 4Q2023

Als gevolg van de lage lithiumprijzen heeft het bedrijf in 2024 aanzienlijk meer inkomsten gegenereerd, proportioneel gezien, uit andere producten dan voorheen, waarbij jodium verantwoordelijk is voor 39% van de brutowinst.

Bron: SQM

Dit kan worden gezien als een weerspiegeling van het reële risico van het bedrijf of als een kans om investeerders aan te trekken die bereid zijn het risico te nemen en een solide dividendrendement te behalen.

Net als bij alle lithiuminvesteringen zullen investeerders vertrouwd willen zijn met het EV-landschap (vraag en het potentieel van innovatieve chemie zoals natrium‑ionbatterijen, die geen lithium gebruiken) en verwachten dat de hoge volatiliteit van lithiumprijzen zal aanhouden op de nabije toekomst, zelfs als meer neerwaartse risico’s enigszins zijn ingeprijsd.

(U kunt meer lezen over lithium en batterijen in onze artikelen “Is Lithium Demand Set to Plummet with New Sodium-Ion Batteries?”, “Does Arkansas Hold the Answer to Our Lithium Needs?” and “Investing in Nobel Prize Achievements: Lithium-Ion Batteries To Power The World”.)

Laatste nieuws over Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{Gerefereerde studies:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Interfaciale zonneverdamping voor duurzame brine‑winning. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}