Günstige Membran extrahiert Lithium aus Meerwasser
Lithium ist nicht nur das leichteste Metall im Periodensystem, sondern auch besonders begehrt. Denn das geringe Gewicht und die hohe Energiedichte machen es zu einem wichtigen Bestandteil von Akkus.
Laut der internationalen Energieagentur lag der Bedarf an Lithium im Jahr 2023 bei 165 Kilotonnen. 2040 könnten wir 1326 Kilotonnen Lithium benötigen, um Elektroautos, Laptops oder Smartphones zu produzieren. Um diesen Bedarf zu decken und Abhängigkeiten zu reduzieren, haben Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der University of Chicago eine Membran-Technologie entwickelt, die Lithium aus Wasser extrahieren kann.
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Lithium-Abhängigkeit
Aktuell wird Lithium meist aus dem Bergbau und aus Salzseen gewonnen. Allerdings nur in wenigen Ländern, was zu Abhängigkeiten führt und Probleme bei Lieferketten verursachen kann.
Das meiste Lithium ist jedoch in Meerwasser gelöst. Würde man dieses Lithium nutzen, wäre die Gewinnung viel teurer. Denn mit herkömmlichen Methoden zur Lithiumgewinnung lässt sich das Metall nur schwer von Elementen wie Natrium oder Magnesium trennen.
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Wie die Membran funktioniert
"Die neue Membran, die wir entwickelt haben, bietet eine potenzielle kostengünstige und reichhaltige Alternative für die Lithiumgewinnung hier bei uns", sagt Seth Darling vom Argonne National Laboratory. Damit könne man also die Abhängigkeit von anderen Ländern reduzieren.
Lithium und andere Elemente liegen im Salzwasser als Kationen vor. Das sind Atome, die ein oder mehrere Elektronen abgegeben haben und dadurch positiv geladen sind. Um Lithium aus Salzwasser zu gewinnen, muss man es von anderen Kationen trennen. Das funktioniert, indem man sich anschaut, wie groß diese Teilchen sind und wie stark sie geladen sind.
Die von den Forschern entwickelte Membran besteht aus Vermiculit, einem natürlich vorkommenden Ton, der rund 350 US-Dollar pro Tonne kostet. Das Forschungsteam hat den Ton in sehr dünne Schichten zerlegt und diese zu einer Art Filter zusammengesetzt.
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Das Problem
Da die Schichten extrem dünn sind, kam es zu einem Problem. Unbehandelt zerfallen die Tonschichten aufgrund ihrer starken Affinität zu Wasser. Deshalb fügten die Forscher mikroskopisch kleine Aluminiumoxid-Säulen zwischen den Schichten ein. Dadurch wird ein Zerfallen vermieden und die negative Oberflächenladung der Membran neutralisiert.
Zusätzlich wurden Natriumkationen in die Membran eingebracht. Dadurch wurde die Oberflächenladung der Membran positiv. Magnesium-Ionen sind im Wasser stärker positiv geladen als Lithium-Ionen. Durch die positiv geladene Membran werden die Magnesiumionen abgestoßen, während die Lithiumionen eingefangen werden können.
Mehr Natrium für mehr Lithium
Das Forscherteam fügte noch mehr Natriumionen hinzu, um die Leistung der Membran zu verbessern. So konnte die Porengröße der Membran verringert werden, wodurch die größeren Lithiumionen noch besser aufgefangen werden können.
"Unsere Membran filtert sowohl nach der Ionengröße als auch nach der Ladung und kann so Lithium mit viel größerer Effizienz aus dem Wasser ziehen", sagt Erstautor Yining Liu. Laut den Forschern können mit der Membran auch Materialien wie Nickel, Kobalt und Seltene Erden zurückgewonnen werden . Auch zur Trinkwasserreinigung könnte die Membran eingesetzt werden.