Faszination Technik Wie Lithium aus Meerwasser gewonnen werden kann

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein neues elektrochemisches Verfahren zur Gewinnung von Lithium-Ionen aus Meerwasser, das mit wenig Energie-Input auskommt und eine kontinuierliche Abtrennung von Lithium gewährleistet.

Lithium ist ein begehrter Rohstoff und seine Nachfrage für die Batterieherstellung steigt aufgrund der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf Elektroantriebe bei Fahrzeugen. Langfristig müssen neue Quellen erschlossen werden, um den wachsenden Bedarf zu bedienen. Neben regionalen Lithium-Quellen und dem Recycling von Lithium-Ionen-Batterien wird auch an der Gewinnung von Lithium aus Thermalwasser oder Grubenwasser gearbeitet. Auch die Weltmeere könnten als schier unerschöpfliches Reservoir für die Lithiumgewinnung herangezogen werden. Zwar ist die Lithiumkonzentration im Meerwasser äußerst gering, doch in Summe bringen es die 1,4 Milliarden Kubikkilometer Wasser auf einen Lithiumgehalt von 230 Milliarden Tonnen. Nun haben Forschende des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai ein neues elektrochemisches Verfahren zur Gewinnung von Lithium-Ionen aus Meerwasser entwickelt.

Neues Verfahren ermöglicht kontinuierlichen Betrieb

Basis des neuen Verfahrens zur Lithiumgewinnung aus wässrigen Lösungen ist nach Angaben des Leibniz-INM eine Kombination aus einer Redox-Fluss-Batterie, einer Polymermembran für den Austausch von Anionen und zwei lithiumselektiven keramischen Membranen (LISICON). Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien speichern Redox-Fluss-Batterien Energie durch Oxidation und Reduktion eines flüssigen Elektrolyten und nicht durch eine elektrochemische Reaktion in festen Elektroden, heißt es. Der flüssige Zustand habe den Vorteil, dass der Redox-Elektrolyt gepumpt und so das System kontinuierlich betrieben werden kann. Je nachdem, wie groß das System sein muss, könne die Größe der Elektrolyt-Tanks einfach angepasst werden.

Elektrochemische Zelle auf vier Kammern erweitert

Laut Leibniz-INM besteht die elektrochemische Zelle aus zwei Kammern: eine für die elektrochemische Oxidation und eine zweite für die Reduktion. Zwischen diesen beiden Kammern befindet sich eine Ionentauschmembran. Das Neue am INM-System sei, dass sich zwischen den beiden Kammern für den Redox-Elektrolyten zwei weitere Kanäle für den Zustrom von lithiumhaltigem Wasser und zur Anreicherung von Lithium-Ionen befinden. Damit kommt das Gesamtsystem auf vier Kammern. Die enorme Selektivität von Lithium-Ionen verdanke das System den keramischen LISICON-Membranen, die andere Kationen, wie Natrium- oder Kalium-Ionen, effektiv blockieren.

Einsatz des Verfahrens für viele wässrige Lösungen

Wie das Leibniz-INM mitteilt, eignet sich das Verfahren für natürliches Wasser, wie aus den Ozeanen oder aus Hydrothermalquellen. Es könne aber auch für Grubenwasser oder für die Extraktion von Lithium-Ionen beim hydrometallurgischen Recyclen von gebrauchten Batterien genutzt werden. Im nächsten Schritt soll das elektrochemische System weiter verbessert werden. Dabei steht die keramische LISICON-Membran im Fokus der Optimierungen. Dünnere und auf anderen Materialien basierende Lithium-Ionen-Membranen sollen den Prozess deutlich schneller ablaufen lassen und ergeben geringere Kosten bei gleichzeitig verbesserter mechanischer Stabilität.

Zur Originalpublikation in ACS Energy Letters

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