Elektrochemische Lithiumveredelung: Wie Enso die LiOH-Produktion unterstützt

Im ersten Artikel dieser Reihe haben wir untersucht, warum Lithiumveredelung und Lithiumrecycling für Batterien, Elektromobilität und Energiespeicherung immer wichtiger werden. Angesichts der steigenden Lithiumnachfrage beschränkt sich die Herausforderung nicht mehr nur auf die Sicherung von Rohstoffen. Es geht auch darum, lithiumhaltige Ströme durch effiziente, skalierbare und zunehmend kreislauforientierte Verfahren in hochwertige Batteriematerialien umzuwandeln.

Dieser zweite Artikel befasst sich eingehender mit der Technologie, die hinter dieser Umwandlung steht.

Der elektrochemische Weg basiert auf einem einfachen Prinzip: Lithium kann in verschiedenen Salzströmen vorkommen, und diese Salze lassen sich durch Elektrolyse aufspalten, um Lithiumhydroxid (LiOH) zu gewinnen.

Bei der Lithiumaufbereitung sind zwei Salze besonders relevant: Lithiumchlorid (LiCl) und Lithiumsulfat (Li₂SO₄). Lithiumchlorid kann aus Solen gewonnen werden, darunter auch solche, die aus Salar-Lagerstätten gewonnen werden. Lithiumsulfat hingegen entsteht in der Regel bei der Aufbereitung von Hartgesteinsmineralien wie Spodumen oder kann in Strömen aus dem Batterierecycling vorkommen.

In beiden Fällen ist die Technologie von De Nora darauf ausgelegt, das Lithiumsalz in Lithiumhydroxid-Monohydrat umzuwandeln, die Form, die in Batterieanwendungen verwendet wird. Die Konfiguration des Elektrolyseurs variiert je nach Salz: Für Lithiumchlorid wird eine Zweikammerzelle verwendet, während für Lithiumsulfat in der Regel eine Dreikammerzelle zum Einsatz kommt.

Diese Flexibilität ist wichtig, da Enso nicht auf einen einzigen Lithium-Ausgangstoff beschränkt ist. Das System ist Teil einer umfassenderen Plattform zur Salzspaltung, die auf verschiedene industrielle Abfallströme angewendet werden kann, mit dem Ziel, Salze in wertvolle chemische Produkte umzuwandeln und Abfall zu reduzieren.

Wenn das Ausgangsmaterial Lithiumchlorid ist, kommt bei diesem Verfahren eine elektrochemische Zelle mit zwei Kammern zum Einsatz.

Lithiumchlorid wird der anodischen Seite der Zelle zugeführt. Während der Elektrolyse entsteht an der Anode Chlorgas. Das Lithiumion wandert durch eine Kationenaustauschmembran in Richtung der kathodischen Kammer, wo es sich mit Hydroxidionen zu Lithiumhydroxid verbindet. An der Kathode entsteht zudem Wasserstoff.

Die Gesamtreaktion lässt sich wie folgt zusammenfassen:

2LiCl + 2H₂O → 2LiOH + Cl₂ + H₂

Der industrielle Wert des Verfahrens liegt nicht nur in der Herstellung von LiOH, da auch Nebenprodukte verwertet werden können. Chlor und Wasserstoff können zur Herstellung von Salzsäure wieder zusammengeführt werden, die in vorgelagerten Prozessschritten wiederverwendet werden kann.

Dies ist eines der Kreislaufelemente des Verfahrens: Anstatt teure Chemikalien zu verwenden und Abfallströme zu erzeugen, die entsorgt oder verwaltet werden müssen, können durch den elektrochemischen Weg Ströme erzeugt werden, die innerhalb der gesamten Lithium-Verarbeitungskette potenziell nutzbar sind.

Wenn das Ausgangsmaterial Lithiumsulfat ist, erfordert der Prozess in der Regel eine Dreikammerzelle.

Bei dieser Konfiguration wird Lithiumsulfat in die mittlere Kammer eingeleitet. Durch den elektrochemischen Prozess entsteht an der Kathode Lithiumhydroxid, während sich an der Anode Schwefelsäure bildet. Außerdem entstehen im Rahmen des Prozesses Sauerstoff und Wasserstoff.

Die Gesamtgleichung lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Li₂SO₄ + 3H₂O → 2LiOH + H₂SO₄ + ½O₂ + H₂

Die Erzeugung von Schwefelsäure ist besonders relevant, da diese Säure in vorgelagerten Prozessschritten wiederverwendet werden kann, beispielsweise bei der Aufbereitung von Lithiummineralien aus Hartgestein wie Spodumen. Auf diese Weise kann der elektrochemische Schritt einen stärker integrierten Prozess unterstützen, bei dem in einer Stufe erzeugte Chemikalien in einer anderen wiederverwendet werden.

Dies macht die Lithiumsulfat-Verarbeitung nicht nur für die Primärraffination besonders relevant, sondern auch für Recyclingverfahren, bei denen lithiumhaltige Ströme nach der Aufbereitung von Altbatteriematerialien zurückgewonnen werden können.

Die herkömmliche Herstellung von Lithiumhydroxid kann mehrere chemische Schritte umfassen. Je nach Ausgangsmaterial können dazu Fällung, Waschen, Umwandlung in Lithiumcarbonat, weitere Reaktion zu Lithiumhydroxid, Reinigung sowie eine oder mehrere Kristallisationsstufen gehören.

Der elektrochemische Weg zielt darauf ab, diese Kette zu vereinfachen.

Im Fall von Lithiumchlorid zeigt ein interner Prozessvergleich von De Nora, dass mehrere Schritte des herkömmlichen Verfahrens durch eine einzige Elektrolysephase ersetzt werden können. Beim herkömmlichen Verfahren wird Lithiumchlorid zunächst in Lithiumcarbonat umgewandelt, das anschließend kristallisiert, gewaschen, in Lithiumhydroxid umgewandelt und weiter gereinigt wird. Bei der direkten elektrochemischen Umwandlung kann gereinigte Sole dem Elektrolyseur zugeführt und direkt in Lithiumhydroxid umgewandelt werden.

Im Fall von Lithiumsulfat gilt dieselbe Logik. Der elektrochemische Weg kann die Zwischenschritte der Feststoffausfällung und des Waschens vermeiden und gleichzeitig Lithiumhydroxid und Schwefelsäure in einem einzigen Prozess erzeugen.

Die potenziellen Vorteile betreffen sowohl die Investitionsausgaben (Capex), also die für den Bau der Anlage erforderlichen Investitionen, als auch die Betriebsausgaben (Opex), also die Kosten für den laufenden Betrieb.

Erstens können weniger Prozessschritte zu niedrigeren Capex führen, da die Anlage weniger Anlagenkomponenten benötigt und der Prozess weniger komplex ist. Zweitens kann die Reduzierung des Einsatzes von chemischen Reagenzien in großen Mengen dazu beitragen, die Opex zu senken, abhängig von den Strompreisen, den Reagenzienkosten und den Kosten für die Abfallentsorgung. Drittens kann der Prozess einige bei herkömmlichen Verfahren anfallende Abfallnebenprodukte reduzieren oder vermeiden und diese durch chemische Ströme ersetzen, die zurückgewonnen oder wiederverwendet werden können.

Im Mittelpunkt des Ansatzes von De Nora zur Lithiumraffination und -rückgewinnung steht die Technologie Enso.

Enso ist ein Elektrolyseur mit zwei oder drei Kammern, der für Salzspaltprozesse entwickelt wurde. Bei Lithiumanwendungen bedeutet dies die Umwandlung von Lithiumchlorid oder Lithiumsulfat in Lithiumhydroxid-Monohydrat. Im weiteren Sinne lässt sich Enso auch auf andere Salzströme anwenden, darunter Natriumsulfat, Natriumcarbonat, Ammoniumsulfat, TMA-Salze und Natriumchlorid.

Eines der wichtigsten Merkmale von Enso ist sein industrieller Ursprung. Seine Konstruktion baut auf der umfangreichen Erfahrung von De Nora Japan in den Bereichen Chlor-Alkali, Lithium und anderen hochbelastbaren elektrochemischen Prozessen auf. Chlor-Alkali ist ein großtechnischer elektrochemischer Prozess, und dieser Hintergrund ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und Robustheit der Plattform.

Dies ist ein wesentlicher Unterschied. Enso ist kein Laborgerät, das De Nora zu skalieren versucht. Es basiert auf industriellem elektrochemischem Know-how, das für anspruchsvolle Betriebsumgebungen entwickelt wurde. Dies ist von Bedeutung, da die Lithiumraffination und das Recycling nicht nur chemische Leistungsfähigkeit, sondern auch langfristige Zuverlässigkeit, Wartbarkeit, Sicherheit und Bedienbarkeit erfordern.

Wie Michele Sponchiado, Business Development Manager im Geschäftsbereich Energiewende und Wasserstoff bei De Nora, betont: „Das ist eine der Stärken der Anlage. Sie wurde für große Chlor-Alkali-Anlagen gebaut. Es handelt sich nicht um etwas, das im Labor entwickelt und dann hochskaliert wurde. Sie wurde für große, anspruchsvolle Industrieanlagen konzipiert und ist daher sehr zuverlässig und leistungsstark.“

Das Enso-Produktportfolio von De Nora ist so konzipiert, dass es Kunden auf ihrem gesamten Scale-up-Weg begleitet.

Die Lab-Konfiguration dient der anfänglichen Datenerfassung. Sie ermöglicht es De Nora und dem Kunden, die Anforderungen an die Vorbehandlung der Sole, die Betriebsbedingungen und die Produktreinheit zu testen. Diese Phase ist wichtig, da lithiumhaltige Ströme je nach Herkunft erheblich variieren können und die Qualität der in den elektrochemischen Schritt eingespeisten Sole ein entscheidender Faktor ist.

Die Demo-Konfiguration dient der Prozessoptimierung, Analyse, Entwicklung und abschließenden Validierung. Sie kann am Standort des Kunden installiert und kontinuierlich mit dem tatsächlichen Prozessstrom betrieben werden, wodurch repräsentativere Daten zu Leistung, Energieverbrauch und Produktqualität gewonnen werden.

Von dort aus lässt sich die Technologie über die Konfigurationen Plant und Plant XL auf kommerziellen Maßstab skalieren. Dabei handelt es sich um industrielle Produktgrößen, die für den großtechnischen Einsatz vorgesehen sind.

Die Wahl der Konfiguration hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei Dreikammerzellen setzt De Nora in der Regel die „Plant“-Größe ein, was zum Teil auf die derzeitigen Einschränkungen hinsichtlich der Größe der auf dem Markt erhältlichen Anionenaustauschmembranen zurückzuführen ist. Bei Zweikammerzellen kann, wo möglich, „Plant XL“ verwendet werden, da dessen größere aktive Fläche die wirtschaftliche Leistung im großen Maßstab verbessern kann.

Sponchiado beschreibt die Logik dieses Vorgehens als einen Weg zur Verringerung des Scale-up-Risikos: „Wir können den Kunden von den Labortests bis zur industriellen Anlage begleiten. Die Zwischenzelle ist von grundlegender Bedeutung, da sie kontinuierlich mit der tatsächlichen Sole des Kunden betrieben werden kann und die Ergebnisse anschließend für das Scale-up auf industrielle Zellen genutzt werden.“

Dieser strukturierte Scale-up-Pfad ist besonders wichtig bei Lithium-Anwendungen, bei denen unterschiedliche Ausgangsmaterialien und Verunreinigungsprofile die Prozessleistung beeinflussen können.

Mit zunehmender Skalierung elektrochemischer Prozesse wird der Energieverbrauch zu einer entscheidenden Variable. Dies gilt insbesondere für Regionen mit hohen Strompreisen.

Aus diesem Grund kann De Nora eine zusätzliche Technologieoption anbieten: die sauerstoffdepolarisierte Kathode, kurz ODC. Diese Technologie kann die Zellspannung senken und somit den spezifischen Energieverbrauch des Prozesses verringern.

Gleichzeitig entwickeln sich die Lithium-Anwendungen von De Nora von der Entwicklungsphase hin zum industriellen Einsatz. Öffentliche und vertrauliche Projekte zeigen, wie die Technologie sowohl bei der Verarbeitung von Primärlithium als auch bei der Rückgewinnung aus gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden kann.

In einer herkömmlichen Konfiguration wird an der Kathode Wasserstoff erzeugt. An manchen Industriestandorten findet dieser Wasserstoff möglicherweise keine direkte Verwendung. Kann er nicht verwertet werden, wird er zu einem Strom, der entsorgt werden muss.

ODC bietet eine Alternative. Anstatt Wasserstoff an der Kathode zu erzeugen, ist die Zelle so ausgelegt, dass sie Sauerstoff verbraucht. Dies verändert die kathodische Reaktion und senkt die Zellspannung. Da der Energieverbrauch direkt mit der Zellspannung zusammenhängt, kann dadurch der spezifische Energiebedarf des Prozesses erheblich reduziert werden.

In einem internen Dokument von De Nora wird eine Wasserstoff entwickelnde Kathode mit einer Sauerstoff verbrauchenden Gasdiffusionselektrode verglichen. Die ODC-Konfiguration senkt den Energiebedarf im dargestellten Referenzfall, was sie besonders dort relevant macht, wo die Stromkosten eine wichtige Rolle spielen.

Sponchiado erklärt das Prinzip anhand eines praktischen Beispiels: „Anstatt an der Kathode Wasserstoff zu erzeugen, wird Sauerstoff reduziert. Die Folge ist, dass die Zellspannung um etwa 0,7 bis 0,8 Volt sinkt und somit der spezifische Energieverbrauch erheblich zurückgeht.“

Die Lithium- und Salzspaltungstechnologie von De Nora wird bereits in industriellen Projekten eingesetzt.

Ein öffentlich bekanntes Beispiel ist Mangrove Lithium, ein Technologieanbieter, der ein patentiertes elektrochemisches Verfahren entwickelt hat, um Lithium aus dem Bergbau sowie aus dem Recycling gebrauchter Batterien in hochwertiges Lithiumhydroxid in Batteriequalität umzuwandeln. De Nora Japan liefert den Stapelelektrolyseur, der das Herzstück der elektrochemischen Lithiumraffinerieplattform von Mangrove bildet. Die Anwendung umfasst die Umwandlung von LiCl/Li₂SO₄ in LiOH·H₂O mit einer angegebenen Kapazität von 1.000 Tonnen pro Jahr und einer für 2026 geplanten Inbetriebnahme.

Ein weiteres öffentlich bekanntes Beispiel ist Tuleva, ein US-amerikanisches Unternehmen, das im Bereich der nachhaltigen Produktion von Materialien für saubere Energie tätig ist. De Nora wird eine komplette Anlage liefern, die aus zwei bipolaren Ionenaustauschmembran-Elektrolysesystemen besteht. Die in Arkansas zu errichtende Anlage ist für eine Gesamtkapazität von 11.000 Tonnen LiOH·H₂O pro Jahr ausgelegt; die Fertigstellung ist für 2026/27 und die Inbetriebnahme für 2028 geplant.

Diese Projekte zeigen, wie Enso den Übergang von der Prozessentwicklung zum kommerziellen Einsatz unterstützen kann.