Neues Verfahren gewinnt Lithium ohne Verdunstungsteiche

Riesige Verdunstungsteiche bedecken die chilenische Atacama-Wüste auf hunderten Quadratkilometern: So wird heute ein Großteil des weltweiten Lithiums gewonnen, das in Elektroauto-Batterien landet. Forscher der Columbia University haben nun im Fachjournal Joule ein alternatives Verfahren vorgestellt, das ohne Verdunstungszeit auskommt: ein temperaturempfindliches Lösungsmittel, das Lithium direkt aus salzigen Solen zieht, zehnmal selektiver als herkömmliche Methoden und mit erheblich weniger Wasserverbrauch.

Wie das S3E-Verfahren funktioniert

S3E steht für Switchable Solvent Selective Extraction. Das Kernprinzip nutzt die Temperaturabhängigkeit eines organischen Lösungsmittels: Bei niedrigen Temperaturen mischt es sich mit der wässrigen Sole und bindet dabei bevorzugt Lithiumionen. Wird die Mischung erwärmt, trennt sich das Lösungsmittel ab und gibt das Lithium konzentriert frei. Anschließend kühlt man das Lösungsmittel ab und beginnt den nächsten Zyklus. Dasselbe Lösungsmittel, immer wieder.

In Labortests mit Sole aus dem Salton Sea in Südkalifornien erzielte das Team unter der Leitung von Ingenieurin Ngai Yin Yip an der Columbia University bemerkenswerte Ergebnisse: Das System extrahierte Lithium zehnmal effizienter als das ebenfalls in der Sole enthaltene Natrium und zwölfmal effizienter als Kalium. Beide Ionen kommen in natürlichen Solen weit häufiger vor als Lithium und erschweren die selektive Extraktion bei herkömmlichen Methoden erheblich. Schon nach vier Extraktionszyklen mit demselben Lösungsmittel waren knapp 40 Prozent des verfügbaren Lithiums zurückgewonnen.

Warum der Salton Sea?

Der Salton See in Südkalifornien ist in mehrfacher Hinsicht ein besonderer Standort. Er ist stark eutrophiert, riecht nach Schwefelverbindungen und trocknet in Teilen aus. Gleichzeitig enthält seine Sole nach Schätzungen genug Lithium für mehr als 375 Millionen Elektrofahrzeug-Batterien.

Ein zusätzlicher Vorteil: Die Geothermalanlagen rund um den See fördern die Sole bereits zur Stromerzeugung. Das Lithium wäre ein Nebenprodukt, das ohne zusätzlichen Flächenverbrauch oder neue Bohrungen gewonnen werden könnte. Mehrere Unternehmen und die Regierung Kaliforniens haben in den vergangenen Jahren Interesse bekundet, die Region zur nationalen Lithiumversorgung zu nutzen.

Im Vergleich zur traditionellen Gewinnung

Die dominierende Methode zur Lithiumgewinnung ist die solare Verdunstung. Der chilenische Bergbaukonzern SQM (Sociedad Química y Minera) und sein Konkurrent Albemarle betreiben im Atacama-Becken riesige Anlagen: Die Sole wird in flache Becken gepumpt und verdunstet über 12 bis 18 Monate unter der Sonne. Die Becken bedecken mehrere hundert Quadratkilometer einer der trockensten Regionen der Erde. Studien belegen eine Schrumpfung lokaler Feuchtgebiete und eine Abnahme der Flamingopopulationen im Atacama-Becken. Chile und Bolivien besitzen zusammen mehr als die Hälfte der weltweiten Lithiumreserven.

Die zweite wichtige Methode ist der Hartgesteinsabbau in Australien: Im Pilbara-Distrikt und aus der Greenbushes-Mine im Südwesten des Landes wird Spodumen, ein Lithiummineral, aus dem Fels gesprengt, zerkleinert und chemisch aufgeschlossen. Australien produziert rund die Hälfte des weltweiten Lithiums auf diese Weise. Das Verfahren verbraucht kaum Wasser, ist aber energieintensiv und hinterlässt große Abraumhalden. Die S3E-Methode würde einen dritten Weg erschließen: kontrollierte Extraktion aus bereits geförderten Solen ohne Masseneingriff in die Landschaft.

Von der Laborprobe zur kommerziellen Anlage

Das Verfahren ist bislang im Labormaßstab getestet und gilt als Machbarkeitsnachweis. Der Weg zur kommerziellen Anlage dauert bei Rohstoffgewinnung erfahrungsgemäß zehn Jahre und länger, inklusive Pilotanlagen, Umweltgenehmigungen und Investitionsentscheidungen.

Zwei Hürden sind dabei zentral. Erstens muss das Lösungsmittel über viele hundert Zyklen verlustfrei und leistungsstabil recycelbar bleiben. Selbst geringe Verluste pro Zyklus würden im industriellen Betrieb erhebliche Kosten erzeugen. Zweitens variieren natürliche Solen stark in ihrer Zusammensetzung: Die Selektivität des Systems muss auch bei Solen mit anderen Ionenverhältnissen als im Salton Sea belegt werden.

Die Internationale Energiebehörde schätzt, dass der globale Lithiumbedarf bis 2040 auf 1,7 bis 2 Millionen Tonnen pro Jahr steigen könnte, mehr als das Zehnfache des Niveaus von 2020. Kein einzelnes Verfahren wird diesen Bedarf allein decken. Die S3E-Methode könnte jedoch besonders relevant werden für Geothermalprojekte, die ohnehin Sole fördern: In Island, im Westen der USA und in Deutschland gibt es zahlreiche solcher Anlagen, die bislang keine Lithiumgewinnung betreiben.