Freiberger Patente: Sächsische Verfahren zur Lithiumgewinnung

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Gunther Martin

Unser Autor Gunther Martin ist Diplom-Chemiker und Doktorand an der TU Bergakademie Freiberg. Fotos: © TU Bergakademie Freiberg

Ein Forscherteam der TU Bergakademie Freiberg hat zwei Verfahren entwickelt, mit denen sich der auf dem Weltmarkt stark nachgefragte Rohstoff Lithiumcarbonat sowohl aus dem Lithiummineral Zinnwaldit als auch aus Altbatterien gewinnen lässt.

Auf diese Weise ist es möglich, eine Tonne Lithiumcarbonat zu vergleichbaren Preisen zu erhalten, wie sie derzeit auf dem Weltmarkt üblich sind, und die bislang bestehende Importabhängigkeit zu verringern.

Das chemische Element Lithium dient insbesondere der Speicherung von Energie. Daher wird ein Großteil der weltweiten Lithiumproduktion für die Herstellung von geeigneten Kathodenmaterialien in Akkumulatoren verwendet.

Bis 2020 sollen 500.000 Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Auch international steigt der Bedarf an Lithium für die Akkumulatoren stark an.

Szenarien gehen sogar davon aus, dass es bereits im Jahr 2025 zu einem Versorgungsengpass kommen kann, da sich die Nachfrage für die Akkumulatorenherstellung von derzeit 35 auf etwa 70 Prozent im Jahr 2025 verdoppeln wird.

Lithiumcarbonat

Lithiumcarbonat ist die Grundchemikalie in der Akkumulatorenindustrie.

Weltweit gibt es große Vorkommen, insbesondere in Form von Erzen und Salzseen in Südamerika, aus welchen Lithium großtechnisch gewonnen wird.

Bei der Gewinnung aus Salzseen entsteht durch Verdunstung zunächst ein Salzkonzentrat. Anschließend wird daraus Lithiumcarbonat, die Grundchemikalie in der Akkumulatorenindustrie, ausgefällt.

Da sich die Vorkommen auf wenige Länder konzentrieren, ist es notwendig, heimische Ressourcen zu nutzen. Zudem zeichnet sich bereits jetzt ab, dass Recycling allein den bisherigen und zukünftigen Lithiumbedarf in Deutschland nicht decken kann.

Die Nutzung heimischer Ressourcen birgt zudem den Vorteil, dass die Rohstoffversorgung von geopolitischen Abhängigkeiten losgelöst werden kann. Nicht zuletzt gelten im Bergbau hierzulande hohe Standards für den Natur- und Umweltschutz.

Prof.-Martin-Bertau

Prof. Dr. Martin Bertau leitet das Lithium-Forschungsteam am Institut für Technische Chemie der TU Bergakademie.

Ein Forschungsteam um Prof. Martin Bertau am Institut für Technische Chemie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg beschäftigt sich seit über fünf Jahren mit der Lithiumgewinnung aus Zinnwaldit.

Zunächst untersuchte es im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „Hybride Lithiumgewinnung“ eines der größten europäischen Lithiumvorkommen im Grenzgebiet von Deutschland zur Tschechischen Republik bei Zinnwald/Cínovec.

Ziel war, das dort vorkommende Mineral Zinnwaldit als Lithiumressource zu nutzen. Wie es der Projektname schon sagt, werden sowohl das Erz als auch lithium- und kobalthaltige Akkumulatorenrückstände in einem Prozess gleichzeitig chemisch aufgearbeitet

Das am Institut für Technische Chemie entwickelte Verfahren sieht zunächst die Lösung der enthaltenen Metalle durch Salzsäure vor. Anschließend werden die Begleitelemente Aluminium und Eisen abgetrennt und schlussendlich das Lithiumcarbonat gewonnen. Der Zinnwaldit weist jedoch einen niedrigen Lithiumgehalt von rund 1,5 Prozent sowie hohe Eisen- und Fluorid-Anteile auf. Deshalb ist die Gewinnung nicht wirtschaftlich.

Zinnwaldit

Das Mineral Zinnwaldit weist einen niedrigen Lithiumgehalt auf.

Aus diesem Grunde habe ich das Verfahren im Rahmen meiner Doktorarbeit in den letzten vier Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Die größten Herausforderungen waren dabei unter anderem die kostengünstige Abtrennung der Begleitkomponenten, eine hohe Lithiumausbringung sowie die Gewinnung von Lithiumcarbonat in hoher Reinheit.

Als Ergebnis meldete unser Forschungsteam in diesem Jahr zwei neue Verfahren zur Lithiumgewinnung aus Primärrohstoffen sowie Altbatterien zum Patent an.

Beim ersten Verfahren wird das zerkleinerte Zinnwalditmineral zunächst erhitzt. Dabei bildet sich gasförmiges Siliziumfluorid, das auf diese Weise aus dem Material entweicht. Anschließend entsteht unter Zugabe von Kohlendioxid und Wasser als Laugungsmedium aus dem enthaltenen Lithium Lithiumhydrogencarbonat.

Die gering konzentrierte Lithiumhydrogencarbonat-Lösung lässt sich nun mit Hilfe der Elektrodialyse anreichern. Das dabei erhaltene Konzentrat wird unter Abgabe von Kohlendioxid (CO2) erhitzt und das entstandene Lithiumcarbonat im Anschluss abgetrennt.

Das freigesetzte CO2 kann zudem für eine erneute Laugung genutzt werden und wird daher nicht in die Atmosphäre abgegeben.

Clemens-Winkler-Bau-TU-Freiberg

Im Clemens-Winkler-Bau der TU Bergakademie Freiberg hat das Institut für Technische Chemie seinen Sitz.

Die wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens sind neben den geringen Kosten für Wasser und CO2 auch die äußerst effizienten Anreicherung der Lithiumhydrogencarbonat-Lösung sowie die einfache Produktgewinnung durch Erhitzen.

Das Kernverfahren ist auch für Altbatterien geeignet. Aus Lithiumakkumulatoren werden bislang Kobalt, Kunststoffe und Gehäusematerialien zurückgewonnen, aufgrund des hohen Aufwands Lithium jedoch nicht. Unser neues Verfahren ermöglicht auch das.

Gegenwärtig arbeitet unser Freiberger Forschungsteam daran, beide Verfahren zu optimieren, um die Lithiumausbeute weiter zu erhöhen.

Veröffentlicht von Gastautor am 17. August 2016 09:15 in Elektromobilität, Energie, Umwelt
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