Lithiumaufbereitung und -recycling: Elektrochemie für die Energiewende

Lithium ist längst nicht mehr nur ein Rohstoffthema. Da die Nachfrage nach Elektromobilität, Batteriespeichern und widerstandsfähigeren Energiesystemen weiter wächst, gewinnt die Lithium-Wertschöpfungskette zunehmend an strategischer Bedeutung. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, mehr Lithium zu gewinnen, sondern es auch effizienter zu verarbeiten, in hochwertige Batteriematerialien umzuwandeln und langfristig aus Altbatterien zurückzugewinnen.

Hier kommen die Lithiumraffination und das Lithiumrecycling ins Spiel. Beide sind entscheidende Schritte beim Aufbau einer sichereren, skalierbaren und kreislauforientierten Batterie-Lieferkette. Sie eröffnen zudem neue Möglichkeiten für die Elektrochemie, die dazu beitragen kann, herkömmliche Prozesse zu vereinfachen, den Einsatz chemischer Reagenzien zu reduzieren und Stoffströme zu verwerten, die sonst nur schwer wiederverwendet werden könnten.

Für De Nora ist dies ein naheliegendes Anwendungsgebiet für sein industrielles Know-how. Mithilfe seiner Enso-Elektrolyseur-Plattform wendet De Nora die Salzspaltung an, um Lithiumsalze in Lithiumhydroxid in Batteriequalität umzuwandeln, und unterstützt so effizientere und kreislauforientierte Raffinierungs- und Rückgewinnungsprozesse.

Wie Michele Sponchiado, Business Development Manager, erklärt, liegt die Chance darin, eine bestehende elektrochemische Kompetenz auf einen schnell wachsenden industriellen Bedarf anzuwenden: „Wir fangen nicht bei Null an mit einem Verfahren, das ausschließlich für Lithium entwickelt wurde. Das Verfahren gab es bereits. Was wir vorschlagen, ist der Einsatz unserer Anlagen zur Umwandlung von Lithiumchlorid oder Lithiumsulfat in Lithiumhydroxid.“

Das Wachstum des Lithiummarktes steht in engem Zusammenhang mit zwei wichtigen Trends: Elektromobilität und Energiespeicherung. Lithium-Ionen-Batterien spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie kommen in Elektrofahrzeugen zum Einsatz, aber auch in Speichersystemen, die die Integration erneuerbarer Energien unterstützen und zur Steuerung von Stromangebot und -nachfrage beitragen.

Aus diesem Grund hat sich Lithium zu einem der Schlüsselmaterialien der Energiewende entwickelt. Dabei geht es nicht mehr nur um die Verfügbarkeit von Lithiumressourcen, sondern auch darum, wie Lithium gewonnen, raffiniert, zu batterietauglichen Produkten verarbeitet und schließlich aus Altbatterien zurückgewonnen wird.

De Nora rechnet für das nächste Jahrzehnt mit einem starken Nachfragewachstum; Studien deuten auf eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate im zweistelligen Bereich hin. Wie Sponchiado betont: „Wir erwarten für die nächsten zehn Jahre ein sehr starkes Wachstum; mehrere Studien deuten auf eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von etwa 9,5 oder 10 % bis hin zu 15 % hin. Wir haben es also mit einem Markt zu tun, der eindeutig interessant ist.“

Dieses Wachstum verändert die industrielle Geografie von Lithium. Der Markt benötigt zunehmend nicht nur Minen und Sole, sondern auch Raffineriekapazitäten, Umwandlungstechnologien für Batteriequalität und Recyclingverfahren, mit denen wertvolle Materialien aus Altbatterien zurückgewonnen werden können. In diesem Zusammenhang wird die Fähigkeit, lithiumhaltige Ströme in hochwertige Produkte umzuwandeln, zu einem strategischen Bestandteil der Batterie-Wertschöpfungskette.

Für De Nora liegt der Fokus auf der Stufe, auf der die Elektrochemie Mehrwert schaffen kann: der Umwandlung von Lithiumsalzen in Lithiumhydroxid (LiOH), einem der wichtigsten Vorprodukte bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien.

Das in Batterien verwendete Lithium wird hauptsächlich zu zwei Schlüsselprodukten verarbeitet: Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid. Beide sind wichtig, werden jedoch mit unterschiedlichen Batteriechemien und Leistungsanforderungen in Verbindung gebracht.

Lithiumcarbonat ist weit verbreitet und wird häufig mit Batteriechemien wie LFP (Lithium-Eisen-Phosphat) in Verbindung gebracht, die in der Regel kostengünstiger sind und in Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen Kosten, Sicherheit und Langlebigkeit im Vordergrund stehen. Lithiumhydroxid hingegen ist besonders relevant für Hochleistungskathodenchemien mit hohem Nickelgehalt, wie beispielsweise NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) und NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium). Diese Chemien kommen zum Einsatz, wenn eine höhere Energiedichte und Leistung gefordert sind.

Dies ist einer der Gründe, warum Lithiumhydroxid für De Nora von strategischer Bedeutung ist. Mit dem elektrochemischen Verfahren des Unternehmens lässt sich LiOH direkt aus Lithiumsalzen wie Lithiumchlorid (LiCl) und Lithiumsulfat (Li₂SO₄) herstellen. Mit anderen Worten: Lithiumhydroxid ist nicht nur ein marktrelevantes Produkt, sondern auch das natürliche Endprodukt des elektrochemischen Prozesses.

Wie Sponchiado erklärt: „Zu den Produkten, die uns am meisten interessieren, gehört Lithiumhydroxid. Sowohl Lithiumcarbonat als auch Lithiumhydroxid werden als Vorläuferstoffe für Batterien verwendet, doch Lithiumhydroxid eignet sich besser für Kathodenchemien mit hohem Nickelgehalt und somit für leistungsstärkere Batterien.“

Hinzu kommt noch ein weiterer Punkt: Wenn Lithiumhydroxid auf elektrochemischem Wege zu wettbewerbsfähigen Kosten hergestellt werden kann, kann es auch zu einem nützlichen Zwischenprodukt für andere Lithiumprodukte werden. Lithiumcarbonat lässt sich durch Karbonatisierung aus Lithiumhydroxid gewinnen, was bedeutet, dass eine kostengünstige LiOH-Produktion auch eine größere Flexibilität bei der Lithiumverarbeitung ermöglichen könnte.

Die Lithium-Wertschöpfungskette endet nicht mit der Gewinnung. Sobald das Lithium aus Sole oder Hartgesteinsmineralien gewonnen wurde, muss es raffiniert und in Verbindungen in Batteriequalität umgewandelt werden. Dies ist oft ein komplexer Prozess, der mehrere chemische Schritte, Reinigungsstufen, Ausfällung, Waschen und Kristallisation umfasst.

Im Fall von Lithiumchlorid, das aus Sole gewonnen werden kann, wie sie beispielsweise in Salar-Lagerstätten vorkommt, umfasst der herkömmliche Weg in der Regel mehrere chemische Umwandlungen, bevor Lithiumhydroxid entsteht. Auch bei Lithiumsulfat, das aus der Aufbereitung von Hartgesteinsmineralien wie Spodumen stammen kann, ist eine weitere Verarbeitung erforderlich, um Lithiumhydroxid zu gewinnen.

Hier kann die Raffination zu einem Engpass werden. Eine steigende Lithiumnachfrage erfordert nicht nur mehr Raffinationskapazitäten, sondern auch effizientere, nachhaltigere und skalierbare Verfahren. Es reicht nicht aus, die Rohstoffversorgung zu erhöhen, wenn die nachgelagerte Verarbeitungskette komplex, reagenzienintensiv oder schwer skalierbar bleibt.

Das Gleiche gilt für das Lithium-Recycling. Da immer mehr Lithium-Ionen-Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, wird das Recycling zunehmend an Bedeutung gewinnen, um wertvolle Materialien zurückzugewinnen und den Druck auf Primärressourcen zu verringern. Nach der Aufbereitung der Batteriematerialien erhalten die Betreiber möglicherweise lithiumhaltige Ströme, oft in Form von Lithiumsulfat, die weiter verwertet werden können.

Wie Sponchiado anmerkt, stellt das Recycling für De Nora ein eigenständiges und wichtiges Kundensegment dar: „Eine weitere interessante Kategorie im Lithiumbereich sind Unternehmen, die im Recycling tätig sind. Beim Recycling von Batterien beginnt der Prozess mit der ‚Black Mass‘. Nickel und Kobalt werden abgetrennt, und am Ende entsteht oft ein Lithiumsulfat-Strom, der mit dieser Technologie verwertet werden kann“.

Damit ist Recycling mehr als nur eine Frage der Abfallwirtschaft. Es wird zu einem Mittel, um die Kreislaufwirtschaft zu fördern, die Ressourceneffizienz zu verbessern und die Abhängigkeit von Primärressourcen zu verringern. Das Ziel ist es, zu einem Modell überzugehen, in dem Lithium zurückgewonnen und in neuen Batteriematerialien wiederverwendet werden kann, was zu stärker kreislauforientierten Batterie-Wertschöpfungsketten beiträgt.

De Noras Rolle in der Lithium-Wertschöpfungskette ist einzigartig. Das Unternehmen ist weder als Bergbauunternehmen noch als Hersteller von Batteriezellen oder als Batterierecycler positioniert. Es agiert als Technologie- und Lösungsanbieter und bringt sein elektrochemisches Fachwissen in eine der entscheidenden Phasen der Batterie-Lieferkette ein: die Umwandlung lithiumhaltiger Ströme in Materialien in Batteriequalität.

Im Mittelpunkt dieses Ansatzes steht Enso, die Elektrolyseur-Plattform von De Nora für Salzspaltverfahren. Bei Lithiumanwendungen kann Enso dazu genutzt werden, Lithiumsalze wie Lithiumchlorid und Lithiumsulfat in Lithiumhydroxid-Monohydrat umzuwandeln, wodurch sowohl Raffinations- als auch Rückgewinnungsverfahren unterstützt werden.

Der industrielle Wert dieses Ansatzes liegt in der Prozessvereinfachung. Herkömmliche Verfahren zur Gewinnung von Lithiumhydroxid können mehrere chemische Schritte erfordern, darunter Ausfällung, Waschen, Reinigung und Kristallisation. Die direkte elektrochemische Umwandlung kann dazu beitragen, diese Komplexität zu verringern, den Einsatz von Massenchemikalien zu begrenzen und einige Prozessströme in Ressourcen umzuwandeln, die zurückgewonnen und wiederverwendet werden können.

Sponchiado fasst den Vorteil klar zusammen: „Diese Schritte lassen sich auf einen einzigen Elektrolyseschritt reduzieren. Wir führen eine gereinigte Sole zu und erzeugen durch Elektrochemie Lithiumhydroxid. Wir verwenden keine zusätzlichen Reagenzien wie beim herkömmlichen Verfahren, und anstatt Abfallströme zu erzeugen, produzieren wir Ströme, die zurückgewonnen und wiederverwendet werden können.“

Dies ist der Kern der Positionierung von De Nora im Bereich der Lithiumraffination und des Recyclings: die Anwendung der industriellen Elektrochemie, um die Lithiumumwandlung zu vereinfachen, die Rückgewinnung wertvoller Ströme zu unterstützen und effizientere sowie kreislauforientierte Lithium-Wertschöpfungsketten zu ermöglichen.

Mit dem Wachstum des Lithiummarktes wird die Fähigkeit, Lithium effizient zu raffinieren und zurückzugewinnen, immer wichtiger. Für De Nora liegt die Chance nicht in der Gewinnung von Lithium, sondern darin, dabei zu helfen, es in die Materialien umzuwandeln, die für die nächste Generation von Batterien benötigt werden.