Im Wettlauf um die Deckung des weltweit steigenden Bedarfs an Lithium – einem wichtigen Bestandteil von Batterien für Elektrofahrzeuge – hat ein Forscherteam des Elimelech Laboratory der Rice University eine bahnbrechende Methode zur Lithium-Gewinnung entwickelt. In der Studie, konnten die Forscher eine nahezu perfekte Lithium-Selektivität nachweisen, indem sie Festkörperelektrolyte (SSE) als Membranmaterialien für die wässrige Lithium-Extraktion einsetzten. Ursprünglich für den schnellen Transport von Lithium-Ionen in Festkörperbatterien entwickelt, in denen keine anderen Ionen oder flüssigen Lösungsmittel vorhanden sind, wurde festgestellt, dass die hoch geordnete und begrenzte Struktur von SSEs eine bisher unerreichte Trennung von Ionen und Wasser in wässrigen Mischungen ermöglicht.
Forscherteam entwickelt umweltfreundliche Lithiumgewinnung
Diese Entdeckung stellt einen potenziellen Durchbruch in der nachhaltigen Rohstoffgewinnung dar, da sie die Abhängigkeit von herkömmlichen, zeitaufwändigen und umweltschädlichen Abbau- und Extraktionsmethoden verringert. „Die Herausforderung besteht nicht nur darin, die Lithium-Produktion zu steigern, sondern dies auf eine Weise zu tun, die sowohl nachhaltig als auch wirtschaftlich tragfähig ist“, sagte der Autor Menachem Elimelech, Nancy und Clint Carlson Professor für Bau- und Umwelttechnik.
Um die Gewinnung von Lithium umweltfreundlicher zu gestalten, haben Forscher Technologien zur direkten Gewinnung von Lithium aus unkonventionellen Quellen wie Öl- und Gasproduktionswasser, Industrieabwässern und geothermischen Solen untersucht. Bei diesen Verfahren gab es jedoch Probleme mit der Ionen-Selektivität, insbesondere wenn es darum ging, Lithium von anderen Ionen ähnlicher Größe oder Ladung wie Magnesium und Natrium zu trennen.
Der neue Ansatz, den Elimelech und sein Team entwickelt haben, beruht auf einem grundlegenden Unterschied zwischen SSEs und herkömmlichen nanoporösen Membranen. Während herkömmliche Membranen für den Ionentransport auf wasserhaltige Poren im Nanometerbereich angewiesen sind, transportieren SSEs Lithium-Ionen durch einen wasserfreien Sprungmechanismus innerhalb hoch geordneten kristallinen Gitters.
Hocheffizienten Methode für die Lithium-Gewinnung
„Das bedeutet, dass Lithium-Ionen durch die Membran wandern können, während andere konkurrierende Ionen und sogar Wasser effektiv blockiert werden“, erklärt Erstautor Sohum Patel, der jetzt als Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology forscht. „Die extreme Selektivität, die unser SSE-basierter Ansatz bietet, macht ihn zu einer hocheffizienten Methode für die Lithium-Gewinnung, da nur Energie aufgewendet werden muss, um die gewünschten Lithium-Ionen durch die Membran zu bewegen.
Das Forscherteam testete dieses Phänomen mit einem Elektrodialyseaufbau, bei dem ein angelegtes elektrisches Feld die Lithium-Ionen durch die Membran treibt. Die Ergebnisse waren überraschend: Selbst bei hohen Konzentrationen konkurrierender Ionen zeigte die SSE durchgehend eine nahezu perfekte Lithium-Selektivität ohne nachweisbare konkurrierende Ionen im Produktstrom – etwas, das mit herkömmlichen Membrantechnologien nicht erreicht werden konnte.
Mit einer Kombination aus rechnerischen und experimentellen Methoden untersuchte das Team, warum SSEs eine so bemerkenswerte Lithium-Ionen-Selektivität aufweisen. Die Ergebnisse zeigten, dass das starre und dicht gepackte kristalline Gitter der SSE Wassermoleküle und größere Ionen wie Natrium daran hindert, die Membranstruktur zu durchdringen. Auch Magnesiumionen, die eine andere Ladung als Lithium-Ionen haben, erwiesen sich als inkompatibel mit der Kristallstruktur und wurden daher zurückgewiesen.
„Das Gitter wirkt wie ein Molekularsieb, das nur Lithium-Ionen durchlässt“, erklärt Elimelech. „Diese Kombination aus hochpräziser Größe und Ladungsausschluss macht die SSE-Membran so einzigartig.“ Die Forscher stellten fest, dass konkurrierende Ionen zwar nicht in die SSE eindringen, ihre Anwesenheit in der Zufuhrlösung jedoch den Lithiumfluss verringert, da sie die für den Ionenaustausch verfügbaren Oberflächenplätze blockieren.
Membranen auf SSE-Basis die Zukunft?
Angesichts der sich abzeichnenden Lithium-Knappheit suchen Branchen, die auf Lithium-Ionen-Batterien angewiesen sind, darunter die Automobil- und Elektronikindustrie sowie der Sektor der erneuerbaren Energien, nach zusätzlichen Lithium-Quellen und nachhaltigeren Gewinnungsmethoden. Membranen auf SSE-Basis könnten eine entscheidende Rolle bei der Sicherung einer stabilen Lithium-Versorgung spielen, ohne die mit dem herkömmlichen Abbau verbundenen Umweltbelastungen.
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„Durch die Integration von SSE in Elektrodialysesysteme könnten wir die direkte Lithium-Extraktion aus einer Reihe von wässrigen Quellen ermöglichen und den Bedarf an großen Verdunstungsteichen und chemikalienintensiven Reinigungsschritten reduzieren“, sagt Patel. „Das könnte den ökologischen Fußabdruck der Lithium-Produktion erheblich verkleinern und gleichzeitig den Prozess effizienter machen.“
Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass SSEs nicht nur für Lithium, sondern auch für ionenselektive Trennungen eingesetzt werden können. „Die Mechanismen der Ionenselektivität in SSEs könnten die Entwicklung ähnlicher Membranen für die Gewinnung anderer kritischer Elemente aus Wasserquellen inspirieren“, sagt Elimelech. „Dies könnte den Weg für eine neue Klasse von Membranmaterialien für die Ressourcengewinnung ebnen.“
