Robert Klatt
Lithium wird aktuell größtenteils in Australien, Chile und China aus Hartgestein und aus Salzseen gewonnen. Eine neue Membran kann das Metall kostengünstig und effektiv aus Wasser extrahieren und damit die Abhängigkeit von den Lieferanten reduzieren.
Lemont (U.S.A.). Lithium, das leichteste Metall im Periodensystem, wird vor allem für die Herstellung von Batterien verwendet. Die Internationale Energieagentur (IEA) geht deshalb davon aus, dass die Nachfrage bis 2040 auf 1.326 Kilotonnen pro Jahr zunehmend wird, unter anderem, weil immer mehr Elektroautos produziert werden. Aktuell wird ein Großteil des Lithiums in Australien, Chile und China gewonnen.
Um die Abhängigkeit von anderen Staaten zu reduzieren, haben Forscher des Argonne National Laboratory des United States Department of Energy (DOE) eine neue Filtermembran entwickelt, mit der Lithium kostengünstig und effektiv aus Wasser extrahiert werden kann.
„Die neue Membran, die wir entwickelt haben, bietet eine potenziell kostengünstige und reichlich verfügbare Alternative zur Lithiumgewinnung im eigenen Land.“
Laut der Publikation im Fachmagazin Advanced Materials ist ein Großteil des Lithiums der Erde in Meerwasser und unterirdischen Salzlagerstätten gelöst. Die Extraktion aus diesen Speicherorten ist aber komplex, besonders weil Lithium nur schwer von anderen Elementen wie Natrium und Magnesium getrennt werden kann.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher eine neue Membran aus dem Tonmineral Vermiculit entwickelt, das in der Natur oft vorkommt und nur 350 US-Dollar pro Tonne kostet. Die Membran besteht aus dünnen Schichten, die nur ein Milliardstel Meter dick sind und zu einem Filter gestapelt sind. In unbehandeltem Zustand zerfallen die feinen Schichten im Wasser aber innerhalb von nur 30 Minuten.
Um der Membran eine höhere Stabilität zu verleihen, haben die Forscher Aluminiumoxidsäulen im Nanomaßstab zwischen den Schichten integriert. Diese stützen das Material und verhindern den schnellen Zerfall im Wasser. Außerdem neutralisieren sie die negativ geladene Oberfläche der Membran.
Im nächsten Schritt wurden Natriumionen in die Membran eingebracht, die sich an den Aluminiumoxidsäulen anlagern und die Oberflächenladung der Membran von neutral auf positiv ändern. Im Salzwasser sind sowohl Lithium- als auch Magnesiumionen positiv geladen. Magnesium besitzt aber eine zweifache und Lithium nur eine einfache Ladung. Die Membran stößt die stärker geladenen Magnesiumionen deshalb ab und lässt nur die Lithiumionen durch.
„Unsere Membran filtert selektiv nach Ionenladung und -größe und kann so Lithium mit deutlich höherer Effizienz aus Wasser gewinnen. Eine solche Membran könnte unsere Abhängigkeit von ausländischen Lieferanten verringern und neue Lithiumquellen erschließen, die bislang nicht in Betracht gezogen wurden.“
Laut den Wissenschaftlern hat die neue Membrantechnologie das Potenzial, nicht nur Lithium, sondern auch andere Rohstoffe wie Nickel und Kobalt effizient zu gewinnen und bei der Reinigung von Trinkwasser eingesetzt zu werden.
„Es gibt viele Varianten dieses Tonminerals. Wir untersuchen derzeit, ob es uns auch helfen kann, kritische Elemente aus Meerwasser oder Salzseen zu gewinnen – oder sogar unsere Trinkwasserversorgung zu reinigen.“
Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202417994
