MIT-Forscher entwickeln kostengünstige Technik zur Gewinnung von Lithium aus Gestein

Die Gewinnung von Lithium aus Hartgestein ist heute ein energie- und abfallintensiver Prozess, der oft viel teurer ist als die Gewinnung von Lithium aus Salzwasser, die zudem erhebliche Umweltnachteile hat. Bei der Lithiumgewinnung aus Hartgestein wird das Gestein derzeit bei über 1.000 Grad Celsius gebrannt und chemisch ausgelaugt, um Lithium zu gewinnen. Der Rest des Gesteins wird weggeworfen.

Nun hat ein Team von Forschern des MIT und anderer Institute ein Niedrigtemperaturverfahren zur Gewinnung von Lithium in Batteriequalität aus dem am häufigsten vorkommenden lithiumhaltigen Mineral entwickelt. Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Reagenz verwendet, um das Gestein in die nützlichen Formen seiner Bestandteile aufzulösen: nicht nur batteriefähige Lithiumsalze, sondern auch hüttenfähiges Aluminiumoxid und zementfähiges Siliziumoxid. Nach der Gewinnung der Mineralien können das Lösungsmittel und das Reagenz zurückgewonnen und wiederverwendet werden, so dass nahezu keine Abfälle anfallen.

Die Forscher schätzen, dass das geschlossene Verfahren nur halb so teuer ist wie die herkömmliche Lithiumgewinnung aus hartem Gestein und dass es mit der Gewinnung von Lithium aus Salzwasser konkurrieren kann.

Ein Artikel, der das Verfahren beschreibt, wurde in Science veröffentlicht. Die Forscher haben bereits damit begonnen, die Technologie durch eine MIT-Ausgründung, Rock Zero, zu kommerzialisieren.

"Bis 2040 müssen wir die weltweite Lithiumproduktion vervierfachen, was Hunderte von neuen Lithiumproduktionsanlagen erfordert", sagt der Autor Camden Hunt, ein ehemaliger Projektleiter im MIT Center for Electrification and Decarbonization of Industry. "Hartgestein ist im Überfluss vorhanden, man kann es überall finden. Aber die meisten Hartgestein-Raffinerien befinden sich in China. Unsere zentrale These ist, dass man den Lithiummarkt verändern kann, wenn man einen einfacheren Weg findet, das Gestein zu knacken, Lithium herauszuholen und Lithiumsalze in Batteriequalität herzustellen. Das deckt sich mit dem jüngsten Vorstoß zur Onshore-Produktion kritischer Mineralien in den USA.

Neben Hunt haben der ehemalige MIT-Postdoktorand Benjamin Mowbray, die Doktorandin Kalyn Fuelling, die MIT-Studentin Jacqueline Prawira, Khashayar Jafari, ein ehemaliger leitender Forscher bei der MIT-Ausgründung Sublime Systems, und Yet-Ming Chiang, MIT-Professor für Materialwissenschaft und -technik, an der Studie mitgearbeitet.

Vom Badezimmer zur Batterie

Die Forschung hat ihre Wurzeln in der Renovierung eines Badezimmers. Als Chiang vor etwa 25 Jahren in einem Baumarkt nach einem Mittel suchte, das Klarglasblöcke durchscheinend macht, stieß er auf eine Glasätzcreme, die die Oberfläche des Glases "wegfrisst". Der Wirkstoff stellte sich als Ammoniumfluorid heraus.

Als Chiang kürzlich darüber nachdachte, wie man das am häufigsten vorkommende lithiumhaltige Mineral, Spodumen, chemisch aufspalten könnte, fiel ihm diese Ätzcreme wieder ein. Spodumen besteht wie Glas hauptsächlich aus Kieselsäure. Herkömmliche chemische Verfahren zur Gewinnung von Metallen aus Erzen lösen bevorzugt reaktivere Elemente auf und hinterlassen aufgrund der Stärke der Silizium-Sauerstoff-Bindungen einen mit Kieselsäure angereicherten Rückstand. Indem die Forscher ihr Verfahren so gestalten, dass sie eine Mischung aus Wasser und Ammoniumfluorid verwenden, können sie zuerst die Kieselsäure auflösen und so den Prozess umkehren.

Die Forscher konnten zeigen, dass sie Spodumengestein bei Raumtemperatur auflösen können, was einen Durchbruch gegenüber herkömmlichen Verfahren darstellt, die extreme Hitze erfordern. Dies war jedoch nur der erste Schritt auf dem Weg zu einem geschlossenen Kreislaufsystem, das nützliche Materialien produziert.

"Das Auflösen von Siliziumdioxid ist der schwierige Teil im Bergbau", sagt Mowbray. "Die nächste Frage lautete: Wie können wir das Verfahren auf wichtige Probleme der Mineralverarbeitung anwenden?"

Das Mineral Spodumen besteht hauptsächlich aus drei Elementen: Lithium, Aluminium und Kieselsäure. Mowbray und Hunt, die beide über einen Doktortitel in Chemie verfügen, begannen mit der Erforschung von Möglichkeiten, diese Komponenten separat zu veredeln, nachdem sie in der Ammoniumfluoridlösung aufgespalten worden waren.

Zunächst isolierten die Forscher Lithiumfluorid, ein nützliches Ausgangsmaterial für gängige Elektrolytmaterialien, die in Batterien verwendet werden. Chiang, der im Laufe seiner jahrzehntelangen Karriere am MIT mehrere Batterieunternehmen gegründet hat, fragte das Forschungsteam anschließend, ob sie Lithiumhydroxid und Lithiumcarbonat isolieren könnten, zwei Lithiumsalze, die für die Herstellung von Batteriekathoden nützlich sind. Die Forscher kehrten ins Labor zurück und stellten fest, dass sie beide durch die Entwicklung neuer Verfahren herstellen konnten, bei denen zum Teil Kohlendioxid oder Natriumkarbonat zugegeben werden mussten. Chiang stellte das Forschungsteam vor eine ähnliche Herausforderung für den Aluminiumanteil des Gesteins, der mit Hilfe einer Hochtemperaturtrenntechnik isoliert wurde, und dann für das Siliziumdioxid, das durch Ausfällung isoliert wurde.

"Zunächst war es unser Ziel, diese Produkte herzustellen, dann folgten weitere Schritte zur Charakterisierung ihrer Reinheit und Eigenschaften und zur Sicherstellung, dass unsere Produkte den Spezifikationen für die Zielmärkte entsprechen", erklärt Mowbray. "Für die Lithiumsalze ermittelten wir die Reinheitsspezifikationen für Lithiumcarbonat in Batteriequalität, das am häufigsten verwendete Lithiumsalz. Für die Kieselsäure wollten wir, dass sie als Zementzusatz verwendet wird, also führten wir Zementreaktivitätstests durch und stellten schließlich Zementwürfel für Festigkeitstests mit industriellen Methoden her. Bei Aluminium strebten wir Aluminium in Hüttenqualität an. Wenn ein Produkt die Zielvorgaben nicht erfüllte, würde es als Abfall anfallen.

Die Forscher entwickelten dann ein Verfahren zur Wiederverwendung des Ammoniumfluorids und des Wassers, das die Reaktion in Gang setzt.

"Wir sind in der Lage, das Gestein mit dem Spodumen darin aufzulösen, wodurch alle Elemente, einschließlich Aluminium und Lithium, freigesetzt werden", sagt Chiang. "Das Siliziumdioxid befindet sich in der Lösung, aber auf dem Weg zur Herstellung von Ammoniumfluorid wird auch Ammoniakgas freigesetzt. Wenn dieses Ammoniakgas dann wieder zugeführt wird, fällt die Kieselsäure erneut aus. Auf diese Weise erhalten wir wieder das ursprüngliche Ammoniumfluorid. Deshalb ist es ein kreisförmiger Prozess."

Die Forscher verarbeiteten erfolgreich 17 verschiedene Spodumen-Gesteinsquellen, was zeigt, dass das Verfahren auf Gesteine in der ganzen Welt anwendbar ist.

"Haben Sie schon einmal von Nose-to-Tail-Essen gehört?" sagt Chiang. "Wir bezeichnen dies als Nase-zu-Schwanz-Bergbau. Unsere Forscher kamen an das MIT, um nach wirkungsvollen Problemen zu suchen, an denen sie im Bereich der Nachhaltigkeit arbeiten können. Mit ihren Fähigkeiten war es nur eine Frage der Zeit, sie auf dieses Problem loszulassen. Wir gingen all diese Schritte durch, und bei jedem sagte ich einfach: "Könnt ihr diesen nächsten Schritt machen? Und eine oder zwei Wochen später sagten sie dann: 'Okay, wir haben gezeigt, dass wir das können'. Auf diese Weise wurde der gesamte Prozess aufgebaut."

Skalierung des Prozesses

Chiang forderte sein Forschungsteam weiter auf, die kommerzielle Durchführbarkeit ihres neuen Systems zu bewerten.

"Sobald wir diese Kernoperationen ausgearbeitet hatten, ermutigte er uns, einige Berechnungen anzustellen", erklärt Mowbray. "Gibt es genug Spodumen auf der Welt, um 100 Terrawattstunden Batterieproduktion zu liefern? Die Folge davon war: Wenn Sie alle Batterien der Welt mit diesem Verfahren versorgen, wie groß ist dann das Volumen der Nebenprodukte? Passen sie zu den globalen Rohstoffmärkten? Dann begannen wir, die Kosten für die Reagenzien, die Energiekosten und die Ausrüstung zu untersuchen. Wir kamen zu der Überzeugung, dass dies einen großen Einfluss haben könnte".

Für Mowbray, der in einer historischen Bergbaustadt im ländlichen British Columbia aufgewachsen ist, hat die Arbeit eine besondere Bedeutung.

Die Forscher arbeiteten mit dem Technology Licensing Office des MIT zusammen, um ihr Unternehmen Rock Zero auszugliedern, das jetzt bei The Engine angesiedelt ist und das System skaliert.

"Wir glauben, dass dieser Ansatz der energie- und kostenärmste Weg ist, Lithium nicht nur aus hartem Gestein zu gewinnen, sondern überhaupt", sagt Chiang. "Das ist es, was uns dazu motiviert, dies zu skalieren. Es wird die Energiewende durch Batterien mit Lithium ermöglichen. Das war eines der Ziele des Klimaprojekts am MIT - an Projekten zu arbeiten, die innerhalb weniger Jahre vom Labor zur Kommerzialisierung und Wirkung übergehen können."