Europa: Neue Methode zur Lithium-Gewinnung in Entwicklung

Das Leichtmetall Lithium findet sich vor allem in Batterien vieler Geräte für das Internet der Dinge (IoT) wieder – und jüngst ist es zu einem unverzichtbaren Element geworden. Grund dafür ist die steigende Nachfrage: Bislang war Europa auf Einfuhren angewiesen, dies könnte sich aber möglicherweise bald ändern. Denn in Europa gibt es tatsächlich Lithium-Vorkommen: Sie liegen in heißen Quellen einige Kilometer tief in der Erde und enthalten hohe Konzentrationen an Lithium-Ionen. Eine neue, von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Deutschland entwickelte Extraktionsmethode verspricht, Lithium aus heißem Tiefenwasser zu gewinnen. Dies gelingt, indem Lithium-Ionen an der Oberfläche poröser Festkörper angereichert werden.

„Geothermische Solen enthalten je nach geologischem Ursprung zwischen 0,1 und 500 Milligramm Lithium pro Liter. Die Gewinnung von Lithium aus solchen Quellen stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da Lithium-Ionen mit anderen Ionen konkurrieren“, erklärt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien am KIT. Im Norddeutschen Becken wurden Lithium-Konzentrationen von bis zu 240 Milligramm pro Liter gemessen, im Oberrheingraben bis zu 200 Milligramm pro Liter.

Die Neuheit erfordert geeignete Absorptionsmittel, auf die nicht nur speziell Lithium anspringt. Solche sogenannten Adsorbentien sollten sich auch umweltfreundlich herstellen, verwenden und entsorgen lassen. Darüber hinaus werden geeignete Desorptionslösungen benötigt, um die Lithium-Ionen wieder aus dem Adsorptionsmittel freizusetzen.

Um diese Herausforderung zu meistern, wurde ein Sieb auf der Basis eines Lithium-Mangan-Oxids mit einer speziellen kristallinen Struktur vom Spinell-Typ entwickelt. Die Forscher stellten es mithilfe der hydrothermalen Synthese her. Es handelt sich um eine Methode, bei der Substanzen bei hohen Temperaturen und massivem Druck aus wässrigen Lösungen kristallisieren.

In Laborversuchen nutzte das Forscherteam diese Substanz, um Lithium-Ionen aus geothermischer Sole zu adsorbieren. Die Sole stammt aus dem vom Energieanbieter EnBW betriebenen Geothermiekraftwerk Bruchsal im Oberrheingraben. Dort beschäftigt sich die Abteilung Forschung und Entwicklung in verschiedenen Projekten mit der Gewinnung von Lithium aus den heißen Quellen.

Die Forscher testeten verschiedene Desorptionslösungen, wobei Essigsäure die besten Ergebnisse in Bezug auf die Lithium-Extraktion und den Erhalt des Adsorptionsmittels erzielte. Bei allen getesteten Desorptionslösungen, insbesondere bei Essigsäure, wurde das Lithium-Ionen-Sieb jedoch mit konkurrierenden Ionen angereichert. Dies ist auf den hohen Mineralgehalt der Sole in Bruchsal zurückzuführen. Die Anreicherung mit konkurrierenden Ionen kann die Adsorptionskapazität von Lithium verringern.

Die nächste Herausforderung besteht darin, das Lithium-Ionen-Sieb weiter zu verbessern. Ziel ist eine einfachere Handhabung und eine geringe Beeinträchtigung der Adsorptionskapazität während des gesamten Prozesses.

Experten erwarten, dass die Gewinnung von Lithium aus geothermischen Solen mit diesem neuen Verfahren in Zukunft die Entwicklung einer europäischen Lithium-Quelle unterstützen wird.

Die Forschungsarbeit der deutschen Wissenschaftler zu dem Thema wurde in der Fachzeitschrift Energy Advances veröffentlicht und in die Sammlung „Energy Advances – 2022 Outstanding Papers“ der Zeitschrift aufgenommen.

Batterie 2030+

Neue Möglichkeiten zur Gewinnung von Lithium sind nicht die einzige innovative Entwicklung: In ganz Europa macht derzeit die Initiative Battery 2030+ von sich reden. Dabei handelt es sich um ein groß angelegtes, langfristiges Forschungsprojekt. Das erklärte Ziel des wissenschaftlichen Vorhabens ist die Entwicklung nachhaltiger Batterien. Gleichzeitig möchte man innovative Technologien fördern und so einen Wettbewerbsvorteil in der gesamten Batterie-Wertschöpfungskette erlangen. Auf diese Weise soll es gelingen, die Ziele des Europäischen Grünen Deals für eine klimaneutrale Gesellschaft zu erreichen.  

Die Initiative wird von der Europäischen Kommission mit 272 Millionen Euro unterstützt, um die Batterieforschung sowie -produktion im Zeitraum 2020-2023 zu verbessern und zu beschleunigen. Es ist wahrscheinlich, dass kontinuierlicher Support zum Erreichen der mittel- und langfristigen Ziele nötig ist. Sieben geschlossenen Projekte sollen dem Rechnung tragen: eine Koordinierungs- und Unterstützungsmaßnahme, die von der UU in Schweden koordiniert wird; sechs Forschungs- und Innovationsprojekte – BAT4EVER, koordiniert von der VUB in Belgien; BIG-MAP, koordiniert von der DTU in Dänemark; HIDDEN, koordiniert von VTT in Finnland; INSTABAT, koordiniert von CEA in Frankreich; SENSIBAT, koordiniert von IKERLAN in Spanien, und SPARTACUS, koordiniert von Fraunhofer in Deutschland.

Lithium-Abhängigkeit

Lithium wird von der Europäischen Union als „wesentlicher Rohstoff“ für den angestrebten Übergang von fossilen Brennstoffen zu sauberer Energie eingestuft. Experten gehen davon aus, dass allein in Europa die Nachfrage nach Lithium bis zum Jahr 2050 um das 57-fache des heutigen Bedarfs ansteigen wird.

Chile und Australien sind die wichtigsten Lithium-Lieferanten weltweit. Auch China verfügt über große Mengen der Substanz, was sich vor allem an den Rohstofflieferketten bemerkbar macht: China führt auch die Branche der Batterie- sowie Solarpanelherstellung an und ist in der Raffination von Schlüsselrohstoffen global überlegen. Dabei handelt es sich um Stoffe, durch die unreine Mineralien in brauchbare Komponenten umgewandelt werden. Das geschieht nicht nur in China, sondern in der ganzen Welt – auch in Europa.

Hierzulande und in ganz Europa machen sich unterdessen Bedenken breit: Wenn China – ähnlich wie Russland – seine dominante Rolle bei der Rohstoffversorgung ausnutzen würde, ließe sich verhältnismäßig einfach Druck auf Europa ausüben. Schließlich hält nach Angaben der Europäischen Union China derzeit ein Monopol von etwa 80 bis 90 % bei der Lithium-Raffination.

Im März schlug die Europäische Kommission ein umfassendes Maßnahmenpaket vor, um den Zugang der Europäischen Union zu einer sicheren, vielfältigen, erschwinglichen und nachhaltigen Versorgung mit essentiellen Rohstoffen zu gewährleisten.