Lithium aus Spodumen Kostengünstiges und niedrigtemperiertes Verfahren zur Lithium-Gewinnung

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Ein Forschungsteam des MIT und weiterer Partner hat ein Verfahren vorgestellt, mit dem Lithium aus Spodumen mit deutlich geringerem Energieeinsatz gewonnen werden soll als bei der etablierten Hartgesteinsverarbeitung.

Ein MIT-Team beschreibt ein Verfahren, das Spodumen bei deutlich geringeren Temperaturen aufschließt und Lithiumsalze, Aluminiumoxid und Silica nahezu kreislauffähig gewinnt. Eine entsprechende Forschungsarbeit wurde in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Science veröffentlicht. Nach Angaben der Forschenden zielt das Verfahren darauf, die Verarbeitung von lithiumhaltigem Hartgestein wirtschaftlicher zu machen und zugleich Abfallströme zu reduzieren.

Spodumen gilt als eines der wichtigsten lithiumhaltigen Minerale. Die konventionelle Verarbeitung erfordert üblicherweise ein Rösten des Gesteins bei Temperaturen von mehr als 1.000 Grad Celsius, gefolgt von chemischer Laugung, häufig mit Schwefelsäure. Bei diesem etablierten Ansatz wird vor allem das Lithium weiterverarbeitet. Große Mengen an silikatreichem Restmaterial bleiben zurück, hinzu kommen energieintensive Prozessschritte und chemische Abfallströme.

Niedrigere Temperaturen beim Aufschluss

Das MIT-Verfahren setzt stattdessen auf eine wässrige Lösung von Ammoniumfluorid. Damit lassen sich die Bestandteile des Spodumens chemisch aufschließen, ohne das Gestein zunächst bei extrem hohen Temperaturen umzuwandeln.

Ein zentraler Unterschied liegt darin, dass der Prozess nicht zuerst die reaktiveren Metalle herauslöst und Silica als Rückstand zurücklässt. Die Forschenden nutzen die Fluoridchemie gezielt, um auch die starken Silicium-Sauerstoff-Bindungen aufzubrechen. Aus dem aufgeschlossenen Material können anschließend Lithium-, Aluminium- und Siliciumverbindungen getrennt gewonnen werden. Für Lithium zeigte das Team unter anderem Wege zu Lithiumfluorid, Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid.

Lithiumfluorid ist selbst ein relevanter Ausgangsstoff für Elektrolytmaterialien. Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid gehören zu den etablierten Vorprodukten für Kathodenmaterialien.

Nebenprodukte als Teil des Konzepts

Ein wesentliches Merkmal des Ansatzes ist, dass nicht nur das Lithium als Zielprodukt betrachtet wird. Ebenso wird Aluminium als Aluminiumoxid gewonnen, sowie Silizium als Siliziumdioxid. Das Aluminiumoxid soll nach Angaben der Forschenden eine Reinheit von mehr als 98 Prozent erreichen und könnte damit grundsätzlich für Anwendungen in der Aluminiumwertschöpfung infrage kommen. Für das Siliziumdioxid wurden Tests als Zusatzstoff für Zement durchgeführt.

Damit folgt das Verfahren dem Ziel, möglichst große Teile des Gesteins in verwertbare Produkte zu überführen. Die Forschenden sprechen in diesem Zusammenhang von einem nahezu geschlossenen Stoffkreislauf.

Der Reagenzienkreislauf ist dafür entscheidend. Ammoniumfluorid, Ammoniak und Fluorwasserstoffverbindungen werden in mehreren Prozessschritten umgesetzt und zurückgeführt, sodass der Chemikalienbedarf laut Studie deutlich sinken kann.

Kosten, Skalierung und offene Punkte

Die wirtschaftliche Bewertung der Forschenden kommt zu dem Ergebnis, dass der neue Prozess pro nutzbarer Tonne Lithium etwas über 5.000 US-Dollar kosten könnte. Für die etablierte Hartgesteinsroute nennen sie knapp 9.000 US-Dollar. Wenn Aluminiumoxid und Siliziumdioxid als Nebenprodukte verkauft werden können, würde sich die Kostenposition weiter verbessern. Die Forschenden sehen den Ansatz damit in einer Größenordnung, die mit hochwertigen Solequellen konkurrieren könnte.

Diese Zahlen bleiben jedoch modellhafte Abschätzungen. Erzqualität, Energiepreise, Chemikalienverluste, lokale Genehmigungsbedingungen und Investitionen in neue Anlagen können die tatsächliche Wirtschaftlichkeit deutlich beeinflussen. Auch technisch sind Fragen offen. Einzelne Prozessschritte arbeiten zwar mit deutlich geringeren Temperaturen als das klassische Rösten, andere benötigen weiterhin erhöhte Temperaturen. Zudem erfordert der Umgang mit Fluorwasserstoffverbindungen eine robuste Sicherheits- und Anlagentechnik.

Zur Kommerzialisierung wurde das MIT-Spin-out Rock Zero gegründet. Das Unternehmen arbeitet laut MIT an der Skalierung des Verfahrens. Für die Elektronik- und Batterieindustrie bleibt damit vor allem relevant, ob sich der Ansatz außerhalb des Labors stabil, sicher und zu den erwarteten Kosten betreiben lässt.(sg)

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