Duurzame Lithiumwinning – De Revolutie van EV-voorzieningsketens

Gedreven door wereldwijde decarbonisatie‑inspanningen, wordt de groei van elektrische voertuigen (EV’s) naar verwachting in een snel tempo doorgaan, en zal binnen tien jaar meer dan de helft van de wereldwijde autoverkopen uitmaken. 

Deze brede elektrificatie van de transportsector, die ongeveer 20 % van de wereldwijde kooldioxide (CO2)-emissies veroorzaakt door de zware afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, zal helpen de totale broeikasgas (GHG)-emissies aanzienlijk te verminderen.

Echter, deze snelle overgang naar EV’s brengt een groot probleem met zich mee — een zware druk op de toeleveringsketen van kritieke elementen die in EV-batterijen worden gebruikt. 

Onder EV-batterijen zijn lithium‑ionbatterijen het meest gebruikte vanwege hun lage kosten en ongeëvenaarde energiedichtheid, en ze zullen naar verwachting de dominante batterijchemie blijven. Dit betekent dat lithium (Li) in het bijzonder een essentieel onderdeel zal blijven.

Het zachte, zilver‑witte alkalimetal, dat het lichtste van alle vaste elementen is en heftig reageert met water, wordt in aanzienlijke hoeveelheden gebruikt in één enkele EV‑batterijpack.

Dus, natuurlijk, wordt verwacht dat de vraag naar lithium de komende tien jaar exponentieel zal groeien, zózeer dat het ver zal overstijgen wat verkregen kan worden via het delven van lithiumerts of extractie uit lithiumrijke pekelwateren tegen 2030.

Het Leveringsketenprobleem met het Kritieke Batterijonderdeel

De vraag naar lithium‑ionbatterijen wordt dit jaar voorspeld te boven één terawattuur (TWh) uit te komen, een dramatische stijging ten opzichte van 74 gigawattuur (GWh) tien jaar geleden, volgens de Lithium‑ion Battery Database van Benchmark.

Deze stijgende vraag naar lithium‑ionbatterijen, die centraal staat in de groei van de auto‑industrie en de energietransitie, heeft landen ertoe aangezet hun eigen binnenlandse toeleveringsketens te ontwikkelen.

Hoewel China de industrie domineert, neemt de concurrentie toe, waarbij de VS streeft naar controle over EV‑ en batterijtechnologie. Beide landen leggen handelsbeperkingen op om hun industrieën te beschermen en aan de top te komen.

In januari van dit jaar stelde China voor om lithium‑extractie‑ en raffineringstechnologieën te beperken om meer controle over de wereldwijde lithiumtoeleveringsketen te krijgen. China, dat ook de grootste lithiumbatterijfabrikanten ter wereld huisvest, met CATL die het grootste marktaandeel van 35 % heeft, gevolgd door BYD, is de op één na grootste houder wereldwijd geworden, met 16,5 % van het wereldtotaal terwijl zijn lithiumreserves verdrievoudigd zijn.

Bolivia, Chili en Argentinië zijn de andere meest prominente houders van lithiumreserves, met nieuwe lithiumproducenten zoals Saoedi‑Arabië die zich aansluiten door zwaar te investeren in lithiumprojecten. 

De VS behoren ook tot de toplanden met aanzienlijke lithiumreserves. Ondanks dat is de productie relatief klein — minder dan 2 % van het wereldtotaal. En bijna al dit lithium komt van Albemarle’s Silver Peak‑faciliteit. Daarom streeft de “Unleashing American Energy”-order ernaar vergunningen voor mijnbouw te vereenvoudigen en de binnenlandse capaciteiten te versterken.

Enkele maanden geleden beschuldigde een hoge Amerikaanse functionaris Chinese lithiumproducenten ervan concurrerende projecten te elimineren door de wereldmarkt te overspoelen met het kritieke metaal en een “roekeloze” prijsdaling te veroorzaken.

Lithiumprijzen zijn het afgelopen jaar met meer dan 80 % gedaald, grotendeels door overproductie van China. Volgens Jose Fernandez, destijds ondersecretaris van Staat voor Economische Groei, Energie en Milieu:

“Ze hanteren roofzuchtige prijsstrategieën… (zij) verlagen de prijs totdat de concurrentie verdwijnt. Dat is wat er gebeurt.”

China, voegde hij eraan toe, produceerde veel meer lithium “dan de wereld vandaag nodig heeft, verreweg.” Dit heeft geleid tot lage prijzen, die Fernandez zei “beperkt onze mogelijkheid om onze toeleveringsketens op brede, wereldwijde schaal te diversifiëren.”

Naarmate de concurrentie toeneemt en prijsvolatiliteit de wereldwijde toeleveringsketens bedreigt, is er een dringende drang naar alternatieve extractiemethoden om een stabiele en duurzame lithiumvoorziening te waarborgen.

Het Aanpakken van de Lithium Vraag‑Aanbodkloof

Effectief het aanpakken van de lithium‑tekort vereist een verschuiving van conventionele methoden naar onconventionele waterige bronnen. Dit omvat het extraheren van lithium uit geothermische pekelwateren, industriële afvalwater, door olie en gas geproduceerde wateren, en grondwater.

Traditioneel omvat dit type extractie voorconcentratie via zonne‑evaporatie, gevolgd door een reeks chemisch gebaseerde zuiverings‑ en precipitatiestappen. 

Als gevolg hiervan is lithiumextractie beperkt tot regio’s met droog en uitgestrekt land. Bovendien gaat dit gepaard met lange verwerkingstijden en heeft het nadelige milieueffecten, en ondanks dit alles heeft het nog steeds lage lithiumterugwinningspercentages.

Daarom zijn directe lithiumextractietechnologieën (DLE) de focus geworden, die de tijd‑ en landintensieve beperkingen kunnen overwinnen. Deze technologieën kunnen ook lithium van hoge zuiverheid verkrijgen zonder chemisch gebaseerde nabehandelingsstappen.

Hier worden ion‑uitwisselingsharsen en adsorbenten, in het bijzonder, intensief onderzocht voor lithiumextractie, maar deze technieken vereisen nog steeds een gedeeltelijke voorconcentratie van lithium vanwege hun beperkte lithiumselectiviteit en vereisen grote hoeveelheden zoet water of chemicaliën voor regeneratie. 

Elektrochemische lithiumintercalatie, daarentegen, vertoont indrukwekkende lithiumselectiviteit, maar deze benaderingen lijden onder sterk beperkte levensduur van elektroden en vereisen periodieke regeneratie.

Zeer selectieve membranen hebben echter het potentieel om deze beperkingen te overwinnen door continue en duurzame lithiumterugwinning te bieden. Deze methode faciliteert het preferente transport van lithium boven concurrerende ionen.

Met betrekking tot deze techniek blijft onderzoek naar membraanmaterialen die hoge lithiumselectiviteit bieden tegen zowel vaak concurrerende divalente als monovalente ionen cruciaal.

Recentelijk hebben onderzoekers van het Elimelech‑lab bij Rice University een grote doorbraak behaald door vaste‑stroom elektrolyten (SSE’s) te hergebruiken als membraanmaterialen voor waterige lithiumextractie. 

SSE’s zijn een intens onderzocht onderwerp in de batterijgemeenschap, maar niet als membraanmateriaal voor waterige ionenscheiding. De ontwikkeling van SSE’s is het focusgebied geweest in de batterijsector vanwege de veiligheidszorgen die voortvloeien uit de brandbaarheid van veelgebruikte vloeibare elektrolyten.

Vaste‑stroom elektrolyten (SSE’s) bieden feitelijk veelbelovende alternatieven voor traditionele vloeibare elektrolyten in batterijen, met verbeterde veiligheid en potentieel voor hogere energiedichtheid. SSE’s zijn vaste materialen die de transport van ionen zoals lithiumionen tussen elektroden in een batterij mogelijk maken.

Naast het bieden van verbeterde veiligheid doordat ze niet brandbaar zijn, zijn SSE’s ook duurzamer, maar ze ondervinden uitdagingen zoals lagere ionische geleidbaarheid en interfaciale instabiliteit. 

Wat betreft de potentiële toepassing van SSE’s als membraanmaterialen voor de selectieve extractie van lithiumionen uit zeewater, hebben enkele studies hun mogelijke gebruik aangetoond, maar de fundamentele evaluatie en het begrip van transport in SSE’s zijn nog niet onderzocht.

Dus, de nieuwste studie beoordeelt het gebruik van een Li‑ion‑geleidende SSE als membraan voor waterige lithiumextractie door de fundamenten van ion‑ en watertransport in de SSE te onderzoeken en de ion‑ionselectiviteit te evalueren ten opzichte van vaak concurrerende kationen in lithiumpekels. 

De studieresultaten geven aan dat er “bijna perfecte lithiumselectiviteit” is. Het onthulde ook een belangrijke relatie — hoewel ondoordringbaar, beïnvloedt de aanwezigheid van concurrerende kationen (een positief geladen ion) nog steeds negatief de flux van lithiumionen.

Klik hier om te weten of Arkansas het antwoord heeft op de toenemende behoefte aan lithiumvoorziening van de Verenigde Staten.

De Weg Vrijmaken voor Duurzame EV‑batterij Leveringsketens

Gepubliceerd in Science Advances¹, beschrijft de studie de ontwikkeling van de efficiënte lithiumextractiemethode — een zeer selectief vaste‑stroom elektrolytmembranen die lithiumwinning revolutioneert met bijna perfecte selectiviteit, waardoor de duurzaamheid in EV‑batterijleveringsketens wordt verbeterd.

Het onderzoeksteam ontdekte dat de sterk geordende en begrensde structuur van SSE’s, oorspronkelijk ontworpen voor de snelle geleiding van lithiumionen in solid‑state batterijen, in staat is om ongekende scheiding van zowel ionen als water in waterige mengsels te bereiken.

Dit markeert een potentiële doorbraak in duurzame hulpbronnenwinning die kan helpen de afhankelijkheid van traditionele technieken te verminderen. Volgens corresponderend auteur Menachem Elimelech, Nancy en Clint Carlson, professor in civiele en milieutechniek:

“De uitdaging is niet alleen het verhogen van de lithiumproductie, maar dit te doen op een manier die zowel duurzaam als economisch haalbaar is.”

De nieuwe techniek ontwikkeld door het onderzoeksteam berust op een fundamenteel verschil tussen traditionele nanoporeuze membranen en SSE’s. 

Het verschil is dat conventionele membranen afhankelijk zijn van gehydrateerde nanoschaalporiën om ionen te transporteren, terwijl SSE’s Li‑ionen verplaatsen via een anhydrous sprongmechanisme binnen een sterk geordend kristallijn rooster.

“Dit betekent dat lithiumionen door het membraan kunnen migreren terwijl andere concurrerende ionen, en zelfs water, effectief worden geblokkeerd. De extreme selectiviteit die onze op SSE gebaseerde benadering biedt, maakt het een zeer efficiënte methode voor lithiumwinning, aangezien energie alleen wordt besteed aan het verplaatsen van de gewenste lithiumionen door het membraan.”

– Eerste auteur Sohum Patel, momenteel een postdoc‑onderzoeker aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Om dit fenomeen te testen, gebruikte het team een elektrodialyse‑opstelling, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om Li‑ionen door het membraan te drijven. 

Het experimentele resultaat toonde aan dat zelfs wanneer de concentratie van concurrerende ionen hoog was, de SSE bijna perfecte lithiumselectiviteit bleef vertonen zonder waarneembare concurrerende ionen. Dit is iets wat traditionele membraantechnologieën niet hebben kunnen bereiken.

Nu, om de vraag te beantwoorden waarom de SSE’s zo uitzonderlijke Li‑ionselectiviteit vertonen, gebruikte het team een mix van computationele en experimentele technieken om te onderzoeken, wat wees op het strak verpakte, rigide kristallijne rooster van de SSE. Deze structuur voorkomt niet alleen dat watermoleculen het membraan binnendringen, maar ook grotere zoals natrium‑ en magnesiumionen.

“Het rooster fungeert als een moleculaire zeef, waardoor alleen lithiumionen kunnen passeren. Deze combinatie van zeer precieze grootte‑ en ladinguitsluiting is wat het SSE‑membraan zo uniek maakt.”

– Elimelec

Hoewel concurrerende ionen niet door de SSE passeerden, merkten de onderzoekers op dat hun aanwezigheid de lithiumflux wel verminderde, hoewel deze nog steeds vergelijkbaar was met die waargenomen in aanzienlijk minder selectieve membraanmateriaal. Onderzoekers geloven dat deze uitdaging, die wordt veroorzaakt door het blokkeren van de beschikbare oppervlaktesites voor ionuitwisseling, kan worden aangepakt door verdere materiaalkundige engineering.

Bovendien is verder werk nodig om de effectiviteit van de SSE aan te tonen wanneer deze wordt toegepast op steeds complexere en zoute bronwaters. 

Over het geheel genomen benadrukt de studie “de zeer veelbelovende toepassing van SSE’s voor lithiumterugwinning.” 

Volgens de onderzoekers kan deze nieuw ontwikkelde methode helpen een stabiele lithiumvoorziening te waarborgen voor een breed scala aan industrieën, waaronder de auto‑, elektronica‑ en hernieuwbare‑energiesectoren. 

SSE‑gebaseerde membranen kunnen niet alleen helpen de lithiumtekorten die op de horizon staan aan te pakken, maar dit ook duurzaam doen en zonder negatieve milieueffecten zoals traditionele mijnbouw. Volgens Patel:

“Door SSE’s te integreren in elektrodialysesystemen, zouden we directe lithiumextractie uit een reeks waterige bronnen kunnen mogelijk maken, waardoor de behoefte aan grote verdampingsvijvers en chemisch intensieve zuiveringsstappen wordt verminderd. Dit zou de ecologische voetafdruk van lithiumproductie aanzienlijk kunnen verlagen terwijl het proces efficiënter wordt.”

De methode die ook de kosten verbonden aan lithiumproductie kan verlagen, kan naar verwachting binnen 5‑8 jaar industriële adoptie zien. De onderzoekers verwachten dat SSE‑materialen “aan de voorhoede van DLE‑technologieën” zullen staan in de toekomst.

Naast dit, anticipeert de studie op bredere toepassingen voor SSE’s in ion‑selectieve scheidingen buiten lithium.

Zoals Elimelech opmerkte, kunnen de mechanismen van ionselectiviteit in vaste‑stroom elektrolyten (SSE’s) de ontwikkeling van vergelijkbare membranen inspireren voor het extraheren van andere kritieke elementen uit waterbronnen, waardoor de deur wordt geopend naar “een nieuwe klasse van membraanmaterialen voor hulpbronnenwinning.”

Innovatief Bedrijf

Albemarle Corporation

Als we kijken naar een prominente investeerbare onderneming in dit veld, valt Albemarle Corporation (ALB ) op als een wereldleider in lithiumproductie, die investeert in duurzame extractietechnologieën.

Het bedrijf exploiteert mijnen in Australië, Chili en de VS. Zijn lithiumbronnen, die Albemarle beschrijft als “onder de grootste en hoogste kwaliteit ter wereld,” bestaan uit hardrock‑afzettingen en hypersaliene pekel.

Albemarle ondervindt echter uitdagingen, die het afgelopen zomer ertoe brachten een EV‑lithiumverwerkingsfabriek van $1,3 mrd in South Carolina, VS, te pauzeren. Rond dezelfde tijd stopte het de uitbreiding van een productiefaciliteit in Australië, waar het batterij‑grade lithiumhydroxide voor EV’s produceert, vanwege zwakke lithiumprijzen. Het nieuws kwam slechts ongeveer een jaar nadat Albemarle zijn plan had gedeeld om de productie te verdubbelen, met een groot deel van de meer dan $1 mrd verlies in Q3 2024 toegeschreven aan de mislukte uitbreiding van dit project.

De prijsdaling in de lithiummarkt zet zich voort door sterke productie in Chili, tarieven door de Trump‑administratie, en een vertraging in de vraag na de Chinese Nieuwjaarsvakantie. Als gevolg hiervan moest Albemarle niet alleen zijn uitbreidingsprojecten annuleren, maar ook personeel verminderen. 

Momenteel opereert Albemarle Corporation voornamelijk via drie hoofddivisies — Energy Storage, Specialties en Ketjen. 

De Energy Storage-divisie produceert lithiumchloride, lithiumhydroxide en lithiumcarbonaat. Het Specialties-segment optimaliseert sterk gespecialiseerde lithium‑ en broomoplossingen en bedient de mobiliteits-, energie‑, connectiviteits‑ en gezondheidsindustrieën. Ketjen richt zich op performance catalyst solutions (PCS), clean fuels technologies (CFT) en fluidized catalytic cracking (FCC) katalysatoren en additieven die de ruimtevaart, automotive, conventionele energie, netopslag en andere markten bedienen.

Met een marktkapitalisatie van $8,78 mrd, worden Albemarle‑aandelen momenteel verhandeld tegen $74,82, een daling van 12,28 % YTD. Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van -11,19 en een P/E (TTM) van -6,74, terwijl het dividendrendement 2,15 % bedraagt. Op 27 februari verklaarde het bedrijf een kwartaaldividend van $0,405 per aandeel, uit te betalen op 1 april.

Wat betreft de financiële resultaten, rapporteerde Albemarle voor Q4 2024 een netto‑omzet van $1,2 mrd terwijl de nettowinst $75 mln of $0,29 per verwaterde aandeel bedroeg, en het aangepaste verwaterde verlies per aandeel was ($1,09).

De netto‑omzet zag een daling van 48 % ten opzichte van het kwartaal van het voorgaande jaar van $2,4 mrd, wat het bedrijf toeschreef aan lagere prijzen en volumes in Energy Storage. De netto‑omzet per divisie was als volgt — $617 mld in Energy Storage, $333 mld in Specialties, en $282 mld in Ketjen.

Tijdens Q4 meldde Albemarle ook recordproductie bij de Meishan- en La Negra‑lithiumconversiefabrieken. Het plant echter om zijn locatie in Chengdu, China, halverwege dit jaar in onderhoud te nemen.

Voor het volledige jaar rapporteerde het bedrijf een netto‑omzet van $5,4 mrd en een netto‑verlies van $1,2 mrd, terwijl de operationele cashflow $702 mld bedroeg. Per 31 december 2024 had Albemarle ongeveer $2,8 mrd aan liquiditeit, inclusief $1,2 mrd aan contanten en equivalents. De totale schuldenlast bedroeg ondertussen $3,5 mrd.

“We nemen beslissende maatregelen om kosten te verlagen, ons conversienetwerk te optimaliseren en efficiëntie te verhogen om onze langetermijnconcurrerende positie te behouden. Terwijl we vooruitkijken, verwachten we dat dynamische marktomstandigheden zullen aanhouden, maar we blijven vertrouwen in ons vermogen om waarde te leveren aan belanghebbenden door onze financiële flexibiliteit te vergroten, onze kerncompetenties te versterken en Albemarle te positioneren voor toekomstige groei.”

– CEO Kent Masters

Voor 2025 verwacht het bedrijf dat de kapitaalinvesteringen tussen $700 mld en $800 mld zullen liggen, 50 % minder dan de $1,7 mrd van 2024. Deze uitgaven, merkte Albemarle op, weerspiegelen een prioritering van het behouden van bestaande activa en middelen.

Laatste over Albemarle Corporation

Conclusie 

In de hyper‑mobiele wereld van vandaag zijn elektrische voertuigen naar voren gekomen als een oplossing voor het duurzaamheidsprobleem. EV’s bieden een manier om de CO₂‑emissies te verminderen en onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verlagen. In het hart van deze revolutie staat de batterijtechnologie, die EV’s helpt de toekomst van transport te hervormen.

Een belangrijk onderdeel van deze batterijen is lithium, dat essentieel is voor het aandrijven van niet alleen EV’s maar ook vele moderne apparaten en energieopslag. Gezien het belang van lithium in de transitie naar schone energie, race de wereld om een stabiele lithiumvoorziening veilig te stellen.

Conventionele lithiumextractiemethoden, hoewel effectief, worden beperkt door milieuproblemen, hulpbron‑intensieve mijnbouw en lange verwerkingstijden. Hier bieden doorbraken zoals het gebruik van vaste‑stroom elektrolyt (SSE) membranen een transformerende oplossing, aangezien het mogelijk maken van duurzame en efficiënte lithiumwinning niet alleen de dreigende problemen in de toeleveringsketen kan verlichten, maar ook de toekomst van batterijproductie kan herdefiniëren.

Klik hier om te ontdekken of de vraag naar lithium‑ionbatterijen zal kelderen met nieuwe natrium‑ionbatterijen.