Elektrochemische Zelle erntet Lithium aus Meerwasser

KAUST-Forscher finden preiswerte Möglichkeit zur Gewinnung des wichtigen Batteriematerials

Lithium ist ein lebenswichtiges Element in den Batterien, die Elektrofahrzeuge antreiben, aber es wird erwartet, dass der steigende Lithiumbedarf die landgestützten Reserven bis 2080 erschöpfen wird. Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben nun ein wirtschaftlich tragfähiges Verfahen entwickelt und am 03.06.2021 sowohl auf der KAUST-Webseite als auch in Energy & Environmental Science publiziert, das hochreines Lithium aus Meerwasser gewinnen kann.

Die vom KAUST-Team entwickelte elektrochemische Zelle scheidet Lithium-Ionen aus dem Meerwasser ab und produziert gleichzeitig wertvollen Wasserstoff und Chlorgas – Grafik © Li et al. (2021) – The Royal Society of Chemistry, kaust.edu.sa BY-NC 3.0

Die Ozeane enthalten etwa 5.000 Mal mehr Lithium als das Land, allerdings in extrem niedrigen Konzentrationen von etwa 0,2 Teilen pro Million (ppm). Größere Ionen, darunter Natrium, Magnesium und Kalium, sind im Meerwasser in viel höheren Konzentrationen vorhanden; bisherige Forschungsbemühungen, Lithium aus diesem Gemisch herauszulösen, waren jedoch wenig ergiebig.
Die elektrochemische Zelle des KAUST-Teams trennt Lithium-Ionen aus dem Meerwasser ab und produziert gleichzeitig wertvollen Wasserstoff und Chlorgas.

Das KAUST-Team löste dieses Problem mit einer elektrochemischen Zelle, die eine Keramikmembran aus Lithium-Lanthan-Titan-Oxid (LLTO) enthält. Dessen Kristallstruktur enthält Löcher, die gerade breit genug sind, um Lithium-Ionen hindurchzulassen, während sie größere Metall-Ionen blockieren. “LLTO-Membranen wurden bisher noch nie zur Extraktion und Konzentration von Lithium-Ionen verwendet”, sagt Postdoc Zhen Li, der die Zelle entwickelt hat.

Die Zelle enthält drei Kompartimente. Meerwasser fließt in eine zentrale Zuführungskammer, wo positive Lithium-Ionen durch die LLTO-Membran in eine Seitenkammer gelangen, die eine Pufferlösung und eine mit Platin und Ruthenium beschichtete Kupferkathode enthält. Währenddessen verlassen negative Ionen die Zufuhrkammer durch eine Standard-Anionenaustauschmembran und gelangen in ein drittes Abteil, das eine Natriumchloridlösung und eine Platin-Ruthenium-Anode enthält.

Die Forscher testeten das System mit Meerwasser aus dem Roten Meer. Bei einer Spannung von 3,25 V erzeugt die Zelle Wasserstoffgas an der Kathode und Chlorgas an der Anode. Dies treibt den Transport von Lithium durch die LLTO-Membran an, wo es sich in der Seitenkammer anreichert. Dieses mit Lithium angereicherte Wasser wird dann zum Ausgangsmaterial für vier weitere Aufbereitungszyklen und erreicht schließlich eine Konzentration von mehr als 9.000 ppm. Die Einstellung des pH-Werts dieser Lösung liefert festes Lithiumphosphat, das nur noch Spuren anderer Metallionen enthält – rein genug, um die Anforderungen der Batteriehersteller zu erfüllen.

Die Forscher schätzen, dass die Zelle nur 5 US-Dollar an Strom benötigt, um 1 Kilogramm Lithium aus dem Meerwasser zu gewinnen. Der Wert des von der Zelle produzierten Wasserstoffs und Chlors würde diese Kosten mehr als ausgleichen, und das restliche Meerwasser könnte auch noch in Entsalzungsanlagen verwendet werden, um Süßwasser bereitzustellen.

“Wir werden die Membranstruktur und das Zelldesign weiter optimieren, um die Prozesseffizienz zu verbessern”, sagt Gruppenleiter Zhiping Lai. Sein Team hofft auch auf eine Zusammenarbeit mit der Glasindustrie, um die LLTO-Membran in großem Maßstab und zu erschwinglichen Kosten zu produzieren.

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