14.09.2021 - University of Texas at Austin

Neue Methode zur Gewinnung von Lithium aus Wasser könnte Angebot und Effizienz erhöhen

Mit einer einzigen Woche Wasser aus dem Hydraulic Fracturing im texanischen Eagle Ford Shale ließe sich genug Lithium für 300 Elektrofahrzeugbatterien oder 1,7 Millionen Smartphones gewinnen

Wer ein Handy, einen Laptop oder ein Elektrofahrzeug benutzt, ist auf Lithium angewiesen. Es besteht eine enorme Nachfrage nach diesem Element. Und obwohl es weltweit reichlich Lithium gibt, ist es nach wie vor schwierig und ineffizient, an das Element heranzukommen und es zu extrahieren.

Ein interdisziplinäres Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern entwickelt eine Methode zur Gewinnung von Lithium aus kontaminiertem Wasser. Neue Forschungsergebnisse, die diese Woche in den Proceedings of the National Academies of Sciences veröffentlicht wurden, könnten das Verfahren zur Gewinnung von Lithium aus wässrigen Solen vereinfachen, einen wesentlich größeren Vorrat schaffen und die Kosten des Elements für Batterien für Elektrofahrzeuge, Elektronik und eine Vielzahl anderer Geräte senken. Gegenwärtig wird Lithium meist durch Solarverdampfung aus Salzsolen in Südamerika gewonnen, ein kostspieliger Prozess, der Jahre dauern kann und bei dem ein Großteil des Lithiums verloren geht.

Das Forscherteam der University of Texas in Austin und der University of California, Santa Barbara, entwickelte Membranen für die präzise Trennung von Lithium von anderen Ionen, wie z. B. Natrium, wodurch die Effizienz der Gewinnung des begehrten Elements erheblich verbessert wird.

"Die Ergebnisse der Studie haben erhebliche Auswirkungen auf die Bewältigung der großen Ressourcenbeschränkungen für Lithium, mit dem Potenzial, es auch aus Wasser zu extrahieren, das bei der Öl- und Gasproduktion für Batterien anfällt", sagte Benny Freeman, Professor am McKetta Department of Chemical Engineering an der UT Austin und Mitautor der Studie.

Neben Salzsolen enthalten auch Abwässer, die bei der Öl- und Gasförderung anfallen, Lithium, das heute noch nicht genutzt wird. Nur eine einzige Woche Wasser aus dem Hydraulic Fracturing im texanischen Eagle Ford Shale hat das Potenzial, genug Lithium für 300 Batterien von Elektrofahrzeugen oder 1,7 Millionen Smartphones zu produzieren, so die Forscher. Dieses Beispiel zeigt, wie groß die Möglichkeiten dieser neuen Technik sind, die Lithiumversorgung erheblich zu steigern und die Kosten für Geräte, die darauf angewiesen sind, zu senken.

Das Herzstück der Entdeckung ist eine neuartige Polymermembran, die die Forscher mit Hilfe von Kronenethern hergestellt haben, d. h. Liganden mit spezifischer chemischer Funktionalität zur Bindung bestimmter Ionen. Kronenether wurden bisher nicht als integraler Bestandteil von Wasseraufbereitungsmembranen verwendet oder untersucht, aber sie können auf bestimmte Moleküle im Wasser abzielen - eine Schlüsselkomponente für die Lithiumextraktion.

In den meisten Polymeren wandert Natrium schneller durch die Membranen als Lithium. In diesen neuen Materialien jedoch fließt Lithium schneller als Natrium, das eine häufige Verunreinigung in lithiumhaltigen Solen ist. Durch Computermodellierung fand das Team heraus, warum dies der Fall war. Die Natriumionen binden sich an die Kronenether und werden dadurch verlangsamt, während die Lithiumionen ungebunden bleiben und sich so schneller durch das Polymer bewegen können.

Die Ergebnisse stellen eine neue Grenze in der Membranwissenschaft dar, die eine überdurchschnittliche Zusammenarbeit zwischen den Universitäten in Bereichen wie Polymersynthese, Membrancharakterisierung und Modellsimulationen erforderte. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Center for Materials for Water and Energy Systems unterstützt, einem vom US-Energieministerium finanzierten Energy Frontier Research Center an der UT Austin.

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