Revolutionäre Lithiumproduktion an einer Schnur
Gründung des Start-ups
Lithium ist ein wichtiger Bestandteil der Batterien, die das Herzstück von Elektrofahrzeugen und der Energiespeicherung im Netz bilden, und damit der Schlüssel zu einer sauberen Energiezukunft. Die Gewinnung des silbrig-weißen Metalls ist jedoch mit erheblichen Umweltkosten verbunden. Dazu gehört der enorme Land- und Zeitaufwand, der für die Gewinnung von Lithium aus salzhaltigem Wasser erforderlich ist. Große Betriebe benötigen Dutzende von Quadratmeilen und oft mehr als ein Jahr, um mit der Produktion zu beginnen.
Jetzt haben Forscher in Princeton eine Gewinnungstechnik entwickelt, die den Flächen- und Zeitaufwand für die Lithiumgewinnung verringert. Nach Angaben der Forscher kann ihr System die Produktion in bestehenden Lithiumanlagen verbessern und Quellen erschließen, die bisher als zu klein oder zu verdünnt galten, um sich zu lohnen.
Der Kern der Technik, die am 7. September in Nature Water beschrieben wurde, besteht aus einer Reihe von porösen Fasern, die zu Strängen verdreht sind und die die Forscher so konstruiert haben, dass sie einen wasserliebenden Kern und eine wasserabweisende Oberfläche haben. Wenn die Enden in eine Salzwasserlösung getaucht werden, wandert das Wasser durch Kapillarwirkung an den Fäden hinauf - der gleiche Prozess, mit dem Bäume Wasser von den Wurzeln zu den Blättern ziehen. Das Wasser verdunstet schnell von der Oberfläche der Fäden und hinterlässt Salzionen wie Natrium und Lithium. Wenn das Wasser weiter verdunstet, konzentrieren sich die Salze immer mehr und bilden schließlich Natriumchlorid- und Lithiumchloridkristalle auf den Saiten, die sich leicht ernten lassen.
Neben der Konzentration der Salze bewirkt die Technik auch, dass Lithium und Natrium aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften an verschiedenen Stellen entlang der Schnur kristallisieren. Das schwer lösliche Natrium kristallisiert im unteren Teil der Schnur, während die gut löslichen Lithiumsalze in der Nähe des oberen Teils kristallisieren. Die natürliche Trennung ermöglichte es dem Team, Lithium und Natrium einzeln zu sammeln - ein Kunststück, das normalerweise den Einsatz zusätzlicher Chemikalien erfordert.
"Wir wollten die grundlegenden Prozesse der Verdunstung und der Kapillarwirkung nutzen, um Lithium zu konzentrieren, zu trennen und zu ernten", sagte Z. Jason Ren, Professor für Bau- und Umwelttechnik und das Andlinger Center for Energy and the Environment in Princeton und Leiter des Forschungsteams. "Wir müssen keine zusätzlichen Chemikalien einsetzen, wie es bei vielen anderen Extraktionstechnologien der Fall ist, und das Verfahren spart im Vergleich zu herkömmlichen Verdampfungsmethoden viel Wasser."
Das begrenzte Angebot an Lithium ist ein Hindernis für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Gesellschaft, fügte Ren hinzu. "Unser Ansatz ist billig, einfach zu bedienen und benötigt sehr wenig Energie. Es ist eine umweltfreundliche Lösung für eine kritische Energiefrage".
Ein Verdunstungsteich an einem Strang
Bei der herkömmlichen Solegewinnung wird eine Reihe riesiger Verdunstungsteiche gebaut, um Lithium aus Salinen, salzhaltigen Seen oder Grundwasserleitern zu konzentrieren. Der Prozess kann zwischen mehreren Monaten und einigen Jahren dauern. Der Betrieb ist nur an wenigen Standorten auf der ganzen Welt rentabel, an denen die Ausgangslithiumkonzentration hoch genug ist, viel Land zur Verfügung steht und ein trockenes Klima herrscht, um die Verdunstung zu maximieren. So gibt es in den Vereinigten Staaten nur einen einzigen aktiven Betrieb zur Lithiumgewinnung auf der Basis von Sole, der sich in Nevada befindet und über sieben Quadratmeilen umfasst.
Die String-Technik ist viel kompakter und kann viel schneller mit der Lithiumgewinnung beginnen. Obwohl die Forscher darauf hinweisen, dass es zusätzlicher Arbeit bedarf, um ihre Technologie vom Labor in den industriellen Maßstab zu übertragen, schätzen sie, dass sie den Flächenbedarf im Vergleich zu den derzeitigen Verfahren um mehr als 90 Prozent senken und den Verdampfungsprozess im Vergleich zu herkömmlichen Verdampfungsteichen um mehr als das Zwanzigfache beschleunigen kann, so dass die ersten Lithiumernten in weniger als einem Monat erzielt werden könnten.
Kompakte, kostengünstige und schnelle Verfahren könnten den Zugang zu neuen Lithiumquellen erweitern, z. B. zu stillgelegten Öl- und Gasquellen und geothermischen Solen, die derzeit zu klein oder zu verdünnt für die Lithiumgewinnung sind. Den Forschern zufolge könnte die beschleunigte Verdampfungsrate auch den Betrieb in feuchteren Klimazonen ermöglichen. Sie untersuchen sogar, ob die Technologie eine Lithiumgewinnung aus Meerwasser ermöglichen würde.
"Unser Verfahren ist wie ein Verdunstungsteich an einer Schnur, der es uns ermöglicht, Lithium mit einem deutlich geringeren Platzbedarf und einer präziseren Kontrolle des Prozesses zu gewinnen", so Sunxiang (Sean) Zheng, Mitautor der Studie und ehemaliger Distinguished Postdoctoral Fellow des Andlinger Center. "Wenn wir das Verfahren skalieren, könnten wir neue Möglichkeiten für eine umweltfreundliche Lithiumgewinnung eröffnen.
Da die Materialien für die Herstellung der Saiten billig sind und die Technologie keine chemischen Behandlungen erfordert, sind die Forscher der Meinung, dass ihr Ansatz mit zusätzlichen Verbesserungen ein guter Kandidat für eine breite Anwendung wäre. In der Veröffentlichung demonstrierten die Forscher die potenzielle Skalierbarkeit ihres Ansatzes, indem sie eine Reihe von 100 Lithium-extrahierenden Strings konstruierten.
Rens Team entwickelt bereits eine zweite Generation der Technik, die eine größere Effizienz, einen höheren Durchsatz und eine bessere Kontrolle über den Kristallisationsprozess ermöglichen wird. Er dankt der Princeton Catalysis Initiative für die entscheidende Starthilfe, die kreative Forschungskooperationen ermöglichte. Darüber hinaus erhielt sein Team vor kurzem einen NSF Partnerships for Innovation Award und eine Auszeichnung des Princeton Intellectual Property (IP) Accelerator Fund, um den Forschungs- und Entwicklungsprozess zu unterstützen, einschließlich der Möglichkeiten, den Ansatz zu modifizieren, um neben Lithium auch andere wichtige Mineralien zu gewinnen. Zusammen mit Kelsey Hatzell, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik sowie für das Andlinger Center for Energy and the Environment, erhielt Ren auch eine Anschubfinanzierung vom Princeton Center for Complex Materials, um den Kristallisationsprozess besser zu verstehen.
Zheng ist federführend bei der Gründung des Start-ups PureLi Inc. um die Technologie zu verfeinern und sie schließlich auf den Markt zu bringen. Zheng wurde als einer von vier Forschern für die erste START Entrepreneurs-Kohorte in Princeton ausgewählt, ein akademisches Stipendium und ein Startup-Beschleuniger zur Förderung eines integrativen Unternehmertums.
"Als Forscher weiß man aus erster Hand, dass viele neue Technologien zu teuer oder schwer zu skalieren sind", so Zheng. "Aber wir sind von dieser Technologie sehr begeistert, und mit einigen zusätzlichen Effizienzverbesserungen hat sie unserer Meinung nach ein unglaubliches Potenzial, die Welt wirklich zu verändern."
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