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Lithiumgewinnung auf Basis von Meerwasser

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Autor: Maximilian G.

Veröffentlicht am: 14.07.2020

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Forscher der Seoul National University und der Stanford University haben untersucht, in wieweit Seewasser eine potenziell unbegrenzte, alternative Ressource für die Gewinnung von Lithium der Lithium-Ionen-Batterie bildet. Dazu haben die Wissenschaftler Elektroden direkt in Meerwasser und Sole getaucht, um die Lithium-Ionen ohne konventionellen, oftmals in Nachhaltigkeitsdiskussion stehenden, Bergbau zu gewinnen.

Die im Meerwasser oder Sole befindliche sogenannte Greifer-Elektrode zieht hierbei, zum Zweck der Lithiumgewinnung und mittels einer angelegten negativen Spannung, direkt die Lithium-Ionen aus dem Wasser in die Elektrode.

Herausforderung an dem Ansatz ist, dass die Elektrode auch das deutlich häufiger vorkommende Natrium, in Form von Natrium-Ionen, aus dem Meerwasser anzieht. Das führt dazu, dass ein einfacher Verfahrensansatz in dieser Form Lithium, aufgrund des deutlich erhöhtem Vorkommen von Natrium im Meerwasser, zum Spurenelement in der Greifer-Elektrode machen würde, die Gewinnung sehr ineffizient werden würde.

Forscher der Standford University suchten deswegen parallel nach einer Optimierung der Technik, welche die Selektivität der Greifer-Elektrode erhöht. In einem ersten Ansatz nutzen die Wissenschaftler dazu eine dünne Barriere aus Titan-Oxid, welche sie um die Greifer-Elektrode legten. Da die Lithium-Ionen kleiner als die sonst chemisch sehr ähnlichen Natrium-Ionen sind, gelangen diese leichter durch das Titan-Oxid zur Elektrode. Der relative Anteil der gewonnen Lithium-Ionen nimmt so zu.

Als zweiten Schritt nutzen die Forscher dann statt einer konstanten negativen Spannung einen zyklischen Spannungsverlauf. Zuerst erfolgt eine negative Spannungsphase, gefolgt von einer kurzen Spannungsunterbrechung, um daraufhin eine positive Spannung an der Greifer-Elektrode anzulegen. Durch diese Technik ist es möglich bei negativer Ladung sowohl Lithium als auch das Störelement Natrium an die Kathode anzuziehen und bei positiver Spannung beide Elemente wieder abzustoßen. Da das in den Versuchen verwendete Elektrodenmaterial eine höhere Affinität zu Lithium aufweist, wird bei den positiven Spannungsphasen zuerst das Natrium und zuletzt das Lithium abgestoßen. Das Natrium wird so aus der Elektrode gedrückt, während der Anteil von Lithium erhöht wird. Nach bereits zehn Spannungszyklen, die in Summe nur einige Minuten dauerten, erreichten die Forscher ein Lithium-Natrium-Verhältnis von 1:1.

Aktuell stellt der Ansatz noch keine Alternative zur konventionellen Lithiumgewinnung in den Ländern Bolivien, Chile, Argentinien dar, welche in etwa 70% der bekannten mineralischen Lithiumvorkommen der Erde beherbergen. In neuen Versuchen möchten die Forscher jedoch die Selektivität des Verfahrens durch den Austausch des Greifer-Elektroden Materials verbessern. Zudem sehen die Wissenschaftler Möglichkeiten das Verfahren auch beim End-of-Life Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zu nutzen.
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Quellen:

https://www.sciencemag.org/news/2020/07/seawater-could-provide-nearly-unlimited-amounts-critical-battery-material

https://www.deutschlandfunk.de/lithium-abbau-in-suedamerika-kehrseite-der-energiewende.724.de.html?dram:article_id=447604
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