14.07.2023 Ι Von Elektroautos über E-Bikes bis hin zu Notebooks und Smartphones: Lithium-Ionen-Akkus sind in zahlreichen elektronischen Geräten zu finden. Der Großteil des für diese Batterien weltweit gewonnenen Lithiums stammt aus Salzseen. Da sich der Abbau jedoch auf die Wasserressourcen und die umliegende Umwelt auswirkt, arbeitet die TH Köln im Projekt „Li-GeReKo“ an nachhaltigen Methoden zur Gewinnung des Rohstoffs Lithium. Darüber hinaus sollen neue Lösungen für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt werden.

„Im Zuge der Energiewende nimmt die Speicherung von Energie in Batterien eine zentrale Rolle ein und zählt zu einer der wichtigsten Technologien. Der weltweite Markt und die Nachfrage nach Batterien wachsen daher rasant. Vor diesem Hintergrund besteht eine zunehmende Herausforderung darin, die Produktions- und Entsorgungsprozesse sowie die Bereitstellung der benötigten Ressourcen sicherzustellen. Ziel unseres Projektes ist es, wichtige Impulse dafür zu liefern – und das mit Fokus auf nachhaltige Lösungen und eine ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft“, sagt Prof. Dr. Gerd Braun vom Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik der TH Köln.

Weniger Wasserverlust durch kombinierte Membranverfahren

Rund 85 Prozent der weltweiten Lithiumvorkommen lagern in einfach zugänglichen Salzseen auf dem Hochplateau, das sich zwischen den drei südamerikanischen Ländern Chile, Argentinien und Bolivien erstreckt.

„Um den Rohstoff aus diesen so genannten Salaren zu gewinnen, werden große Mengen Wasser abgepumpt und in künstliche Becken geleitet. Dort wird die Lithiumkonzentration durch zahlreiche Verdunstungsschritte erhöht, bis Lithiumsalz entnommen und weiterverarbeitet werden kann“, erklärt Braun. Dadurch sinke jedoch der Grundwasserspiegel, was zu gravierenden Wasserproblemen für die Menschen vor Ort und die ohnehin schon fragilen Ökosysteme führe.

Um Lithium nachhaltiger aus Salzseen zu gewinnen, arbeitet das Forschungsteam im ersten Teilprojekt an einem Verfahren, das verschiedene Prozesse kombiniert:

„Dabei wird das entnommene Wasser zunächst mit Ionenaustauschern vorbehandelt und anschließend unter hohem Druck über eine Membran geführt. Das Lithium liegt anschließend in einer konzentrierten wässrigen Lösung vor“, sagt Braun. Die grundsätzliche Machbarkeit dieser Methode hätten Vorversuche bereits bestätigt. Ziel des Projekts sei es nun, das Verfahren zu optimieren, so Braun: „Wir wollen mindestens 90 Prozent des Wassers erhalten, das sonst verdunstet.“ Dieses könne dann zurück ins Grundwasser geführt oder anderweitig genutzt werden.

Erkenntnisse auf das Recycling übertragen

Im zweiten Teilprojekt wollen die Forschenden die zuvor entwickelten Lösungen auf das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien übertragen.

„Um ausgediente Akkus zu recyceln, werden sie in herkömmlichen Verfahren auf etwa 1.400 bis 1.500 Grad Celsius erhitzt. Dadurch können viele Stoffe recycelt werden, allerdings verdampft das Lithium bei diesem Prozess. Wir wollen daher Lösungen entwickeln, mit denen das Lithium mit Hilfe von Ionenaustauscher- und Membranprozessen recycelt werden kann – das wäre effizienter und nachhaltiger. Hier steht die Forschung allerdings noch ganz am Anfang“, sagt Braun.

Im Zuge des Gesamtvorhabens soll bei dem Projektpartner MionTec GmbH eine containerbasierte Demonstrationsanlage entstehen, die aus Modulen zur Gewinnung sowie zur Aufkonzentrierung von Lithium besteht.

„Mit Hilfe dieser Modellanlage wollen wir das Verfahren im Labormaßstab optimieren und testen. Wie hoch muss der Druck sein, um das Lithium abzutrennen? Welche Membranen und Ionenaustauscher sind dafür am besten geeignet? Und wie müssen diese kombiniert werden? Diese und andere Fragen gilt es zu klären“, so Braun.

Über das Projekt

Das Forschungsprojekt „Lithium: Gewinnung, Recycling, Konzentration“ (Li-GeReKo) leitet Prof. Dr. Gerhard Braun an der TH Köln vom Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik. Projektpartner ist die MionTec GmbH. Das Teilprojekt der TH Köln wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit rund 300.000 Euro gefördert und läuft bis Ende 2025.