Batterietechnologie Lithium: Aus Wasser werde weißes Gold

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Lithium ist gefragt wie nie zuvor – ob in E-Fahrzeugen, Smartphones oder in Energiespeichern, überall kommen Akkuzellen mit dem seltenen Rohstoff zum Einsatz. Forscher liefern nun einen neuen Ansatz, um der hohen Nachfrage gerecht zu werden.

Mit einem neuen elektrochemischen Verfahren will ein deutsch-chinesisches Forschungsteam mit wenig Energie-Input Lithium aus Meerwasser erzeugen. Das verkündete das Leibnitz-Institut für Neue Materialien (INM) in einer Pressemitteilung. Das Saarbrücker Team arbeitet mit Forschern der Akademie der Wissenschaften in Shanghai zusammen, das Verfahren soll eine kontinuierliche Abtrennung von Lithium gewährleisten.

Alleine durch das Ende der Verbrenner und dem damit einhergehenden Umstieg auf Elektroantriebe wird Lithium so stark nachgefragt, dass bisherige Reserven bald nicht mehr ausreichen werden. Neben chilenischen Salzwüsten und australischen Minen müssen also neue Quellen erschlossen werden, dem internationalen Forschungsteam um Prof. Volker Presser ist dies in Form von Meerwasser wohl gelungen. Die Lithiumkonzentration in den Weltmeeren ist zwar gering, doch auch kleine Mengen genügen bei der unvorstellbaren Menge an Wasser, die in den Ozeanen vorhanden ist: In 1,4 Milliarden Kubikkilometer Wasser finden sich insgesamt 230 Milliarden Tonnen Lithium.

Redox-Fluss-Batterie und lithiumselektive keramische Membrane

Das Forschungsteam stellte das neue Verfahren im „ACS Energy Letter“ vor. Basis der Lithiumgewinnung aus wässrigen Lösungen ist 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. Der flüssige Zustand hat den Vorteil, dass der Redox-Elektrolyt gepumpt und so das System kontinuierlich betrieben werden kann. Je nachdem, wie groß das System sein muss, kann die Größe der Elektrolyt-Tanks einfach angepasst werden.

Im Detail 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 ist, 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 gute Selektivität von Lithium-Ionen verdankt das System den keramischen LISICON-Membranen, die andere Kationen, wie Natrium- oder Kalium-Ionen, effektiv blockieren.

Verfahren für natürliches Wasser geeignet

„Man kann sich unser Verfahren wie einen im Kreis fahrenden Bus vorstellen. Lithium-Ionen, zum Beispiel aus Meerwasser, werden durch die Reduktion einer Rotkali-Lösung in der einen Kammer aufgenommen und bei der Oxidation in einer anderen Kammer wieder abgegeben“, erläutert Prof. Presser und ergänzt: „Dieses ‚Ein- und Aussteigen‘ hat viele Vorteile: Zum einen können wir das System kontinuierlich laufen lassen, ganz wie jede andere Redox-Fluss-Batterie. Das ist sehr wichtig für eine beständige Lithium-Ernte. Und zum anderen können wir damit verschiedene Lithium-Ionen-Quellen nutzen.“

Stefanie Arnold, Doktorandin in der Energie-Materialien-Gruppe des INM, führt weiter aus: „Das Verfahren eignet sich für natürliches Wasser, beispielsweise aus den Ozeanen oder aus Hydrothermalquellen. Wir können es aber auch für Grubenwasser oder für die Extraktion von Lithium-Ionen beim hydrometallurgischen Recyclen von gebrauchten Batterien nutzen“.

(fh)

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