Eine neue Extraktionstechnik revolutioniert die Lithiumproduktion.

Princeton-Forscher haben eine neue Lithiumgewinnungstechnik mit porösen Fasern entwickelt, die die für die Produktion benötigte Zeit und Fläche erheblich reduziert. Diese umweltfreundliche Methode, bei der Lithium und Natrium durch Verdunstung und kapillare Wirkung getrennt werden, hat das Potenzial, die Batterieindustrie zu revolutionieren. Kredit: Bumper DeJesus

Lithium, ein wesentliches Element in Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme, verspricht eine grünere Zukunft. Die Produktion von Lithium hat jedoch bedeutende Umweltauswirkungen. Die Gewinnung von Lithium aus Salzwasser erfordert viel Land und Zeit, wobei große Betriebe Dutzende Quadratmeilen umfassen und oft über ein Jahr benötigen, um mit der Produktion zu beginnen.

Jetzt haben Forscher an der Princeton University eine Extraktionstechnik entwickelt, die den Bedarf an Land und Zeit für die Lithiumproduktion drastisch reduziert. Die Forscher sagen, dass ihr System die Produktion in bestehenden Lithiumanlagen verbessern kann und bisher als zu klein oder zu verdünnt geltende Quellen freisetzen kann.

Der Kern der Technik, die in einem kürzlich in Nature Water veröffentlichten Artikel beschrieben wird, besteht aus einem Satz von in Saiten gedrehten porösen Fasern, die von den Forschern so konstruiert wurden, dass sie einen wasserliebenden Kern und eine wasserabweisende Oberfläche haben. Wenn die Enden in eine Salzwasserlösung getaucht werden, steigt das Wasser durch kapillare Wirkung die Saiten hoch - der gleiche Prozess, den Bäume nutzen, um Wasser von den Wurzeln zu den Blättern zu transportieren.

Das Wasser verdunstet schnell von der Oberfläche jeder Saite und hinterlässt Salzionen wie Natrium und Lithium. Während das Wasser weiter verdunstet, werden die Salze zunehmend konzentrierter und bilden schließlich Natriumchlorid- und Lithiumchloridkristalle an den Saiten, was eine einfache Ernte ermöglicht.

Neben dem Konzentrieren der Salze führt die Technik dazu, dass sich das Lithium und Natrium aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften an verschiedenen Stellen entlang der Saite kristallisieren. Natrium, das eine geringe Löslichkeit hat, kristallisiert im unteren Teil der Saite, während die stark löslichen Lithiumsalze nahe der Spitze kristallisieren. Die natürliche Trennung ermöglichte es dem Team, Lithium und Natrium getrennt zu sammeln, was normalerweise den Einsatz zusätzlicher Chemikalien erfordert.

Ein Forscherteam der Princeton University hat einen neuen Ansatz zur Konzentrierung, Trennung und Ernte von Lithiumsalzen entwickelt. Kredit: Bumper DeJesus

"Unser Ziel war es, die grundlegenden Prozesse der Verdunstung und kapillaren Wirkung zur Konzentration, Trennung und Ernte von Lithium zu nutzen", sagt Z. Jason Ren, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Leiter des Forschungsteams am Andlinger Center for Energy and the Environment der Princeton University. "Wir müssen keine zusätzlichen Chemikalien anwenden, wie es bei vielen anderen Extraktionstechnologien der Fall ist, und der Prozess spart im Vergleich zu herkömmlichen Verdampfungsmethoden viel Wasser."

Ein begrenztes Angebot an Lithium ist ein Hindernis für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Gesellschaft, fügte Ren hinzu. "Unser Ansatz ist billig, einfach zu betreiben und erfordert sehr wenig Energie. Es handelt sich um eine umweltfreundliche Lösung für eine wichtige energierelevante Herausforderung."

Bei konventioneller Soleextraktion werden eine Reihe von riesigen Verdunstungsteichen gebaut, um Lithium aus Salzpfannen, salzhaltigen Seen oder Grundwasserleitern zu konzentrieren. Der Prozess kann von mehreren Monaten bis zu einigen Jahren dauern. Die Betriebe sind nur in einer Handvoll Standorte weltweit wirtschaftlich rentabel, an denen die anfängliche Lithiumkonzentration ausreichend hoch ist, viel verfügbares Land vorhanden ist und das Klima arid ist, um die Verdunstung zu maximieren. Zum Beispiel gibt es nur einen aktiven Lithium-Sole-Abbau in den USA, der sich in Nevada auf einer Fläche von über sieben Quadratmeilen befindet.

Die Saitechnik ist wesentlich kompakter und kann mit der Produktion von Lithium viel schneller beginnen. Die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass es weitere Arbeiten erfordern wird, ihre Technologie vom Labor in den industriellen Maßstab zu übertragen. Sie schätzen jedoch, dass sie den Bedarf an Land um mehr als 90 Prozent der aktuellen Betriebe reduzieren und den Verdunstungsprozess im Vergleich zu herkömmlichen Verdunstungsteichen um mehr als das 20-fache beschleunigen kann, was möglicherweise erste Lithiumernten in weniger als einem Monat ermöglicht.

Kompakte, kostengünstige und schnelle Operationen könnten den Zugang zu neuen Lithiumquellen erweitern, wie zum Beispiel stillgelegte Öl- und Gasbrunnen und geothermische Sole, die derzeit zu klein oder zu verdünnt für die Lithiumgewinnung sind. Die Forscher sagten, dass die beschleunigte Verdunstungsrate auch den Betrieb in feuchteren Klimazonen ermöglichen könnte. Sie prüfen sogar, ob die Technologie die Lithiumgewinnung aus Meerwasser ermöglichen würde.

“Our process is like putting an evaporation pond on a string, allowing us to obtain lithium harvests with a significantly reduced spatial footprint and with more precise control of the process,” said Sunxiang (Sean) Zheng, study co-author and former Andlinger Center Distinguished Postdoctoral Fellow. “If scaled, we may open up new vistas for environmentally friendly lithium extraction.”

Since the materials to produce the strings are cheap and the technology does not require chemical treatments to operate, the researchers said that with additional enhancements, their approach would be a strong candidate for widespread adoption. In the paper, the researchers demonstrated the potential scalability of their approach by constructing an array of 100 lithium-extracting strings.

Ren’s team is already developing a second generation of the technique that will enable greater efficiency, higher throughput, and more control over the crystallization process. He credits the Princeton Catalysis Initiative for providing critical initial support to enable creative research collaborations. Additionally, his team recently received an NSF Partnerships for Innovation Award and an award from Princeton’s Intellectual Property (IP) Accelerator Fund to support the research and development process, including ways to modify the approach to extract other critical minerals in addition to lithium. Together with Kelsey Hatzell, assistant professor of mechanical and aerospace engineering and the Andlinger Center for Energy and the Environment, Ren also received seed funding from the Princeton Center for Complex Materials to better understand the crystallization process.

Zheng is leading the launch of a startup, PureLi Inc., to begin the process of refining the technology and eventually bringing it to the wider marketplace. Zheng was selected as one of four researchers in the inaugural START Entrepreneurs cohort at Princeton, an academic fellowship and startup accelerator designed to foster inclusive entrepreneurship.

“As a researcher, you know firsthand that many new technologies are too expensive or difficult to scale,” Zheng said. “But we are very excited about this one, and with some additional efficiency improvements, we think it has incredible potential to make a real impact on the world.”