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Verfahren zur Lithiumgewinnung aus primären und sekundären Rohstoffen patentiert

19.05.2016

© TU Bergakademie Freiberg

Zerkleinerte, nichtmagnetische Schicht- und Elektrolytmaterialien, die so genannte Schwarzmasse, aus entladenen Akkumulatoren

© TU Bergakademie Freiberg

Das Lithiummineral Zinnwaldit

© TU Bergakademie Freiberg

Die Lithiumverbindung Lithiumcarbonat

Forscher der TU Bergakademie Freiberg haben Verfahren entwickelt, mit dem sich der auf dem Weltmarkt stark nachgefragte Rohstoff Lithiumcarbonat sowohl aus dem Lithiummineral Zinnwaldit als auch aus Altbatterien gewinnen lässt. Diese Verfahren haben sie sich nun patentieren lassen.

Insbesondere im Bereich Elektromobilität ist Lithium für Energiespeicher derzeit unverzichtbar. In den nächsten Jahren wird der Bedarf an diesem Metall stark ansteigen, sagen Experten voraus. Der Marktanteil steigt derzeit von Jahr zu Jahr um 8 bis 11 Prozent. Bis 2025 sollen bereits 70 Prozent des gehandelten Lithiums aus dem Bereich Elektromobilität nachgefragt werden. Derzeit liegt der Weltmarktpreis für die wichtigste Verbindung Lithiumcarbonat bei ca. 7300 US-Dollar je Tonne und ist seit November 2015 um 20 Prozent gestiegen. Bis 2020 könnte laut Experten der Preis auf ca. 25000 US-Dollar je Tonne steigen.

Das Verfahren zur Gewinnung von Lithium aus Altbatterien ist eine Weiterentwicklung des bereits von den Forschern der TU Bergakademie Freiberg entwickelten Verfahrens „Hybride Lithiumgewinnung“. Martin Bertau, Professor für Technische Chemie an der TU Bergakademie Freiberg und seinem Team ist es dabei gelungen, aus dem silikatischen Lithiumerz Zinnwaldit Lithiumcarbonat zu gewinnen. Zinnwaldit gehört zu dem Glimmern und enthält unter anderem Aluminium, Eisen, Fluor und Lithium.

Das zerkleinerte Material des Zinnwaldit wird zunächst auf ca. 1.000°C erhitzt. Dabei kommt es zu einer Phasenumwandlung, wobei aus dem Zinnwaldit neue Mineralphasen gebildet werden. Hauptkomponente ist das lithiumreiche Silikat β-Spodumen. „Mit dem von uns entwickelten Verfahren kann unter Zugabe von CO2 und Wasser als Laugungsmedium das im Spodumen enthaltene Lithium zu Lithiumhydrogencarbonat überführt werden. Die gering konzentrierte Lithiumhydrogencarbonat-Lösung lässt sich mit Hilfe der Elektrodialyse anreichern. Wird das dabei erhaltene Konzentrat erhitzt, entweicht das CO2 und es entsteht Lithiumcarbonat, welches sich einfach abtrennen lässt“, erläutert Prof. Martin Bertau. „Das CO2 wird zudem im Kreislauf geführt und nicht in die Atmosphäre abgegeben“, ergänzt Gunther Martin, Doktorand am Institut für Technische Chemie, der das Verfahren maßgeblich mitentwickelt hat.

Nun konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren auch für Altbatterien einsetzbar ist. Der entladene Akkumulator wird zunächst zerkleinert. Anschließend werden die darin enthaltenen Metalle und Kunststoffe von den nichtmagnetischen Schicht- und Elektrolytmaterialien, der so genannten „Schwarzmasse“, abgetrennt. In dieser Fraktion befindet sich neben Kobalt unter anderem noch Kohlenstoff und Lithium.Gegenwärtig kann aus der Schwarzmasse lediglich das Kobalt zurückgewonnen werden, das Lithium geht verloren. Die Freiberger Forscher nutzen nun den beim Zinnwaldit bewährten Verfahrensansatz und geben CO2 und Wasser als Laugungsmedium hinzu, bevor die Wertkomponente Kobalt ausgeschmolzen wird. Auf diese Weise wird das in der Masse enthaltene Lithium selektiv abgetrennt und in Lithiumcarbonat umgewandelt. Es steht nun für die Herstellung neuer Lithiumakkumulatoren zur Verfügung.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine Tonne Lithiumcarbonat zu vergleichbaren Preisen zu gewinnen, wie sie derzeit auf dem Weltmarkt üblich sind. „Angesichts der steigenden Weltmarkpreise ist die Verfahrensentwicklung ein wichtiger Schritt, um die bislang bestehende Importabhängigkeit durch Nutzung primärer und sekundärer Ressourcen zu verringern“, ist Prof. Martin Bertau von der TU Bergakademie Freiberg überzeugt. „Zudem sind Lithiumlagerstätten in Deutschland nicht oft zu finden. Die größten Lithiumvorkommen befinden sich im Erzgebirge rund um Zinnwald und dem benachbarten böhmischen Cínovec.“

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