Lithium productie hangt aan een veelzijdig draadje

Analisten verwachten dat de wereldwijde vraag naar lithium, basisingrediënt van de moderne lithium-ion batterijen, tegen 2030 zal vervijfvoudigen. De vraag is dan of de productie aan dat tempo zal kunnen opschalen. Op dit moment is Australië de grootste producent ter wereld en daar wordt lithium vooral gewonnen uit gesteente in mijnen. Argentinië, Chili en China produceren nog aanzienlijke hoeveelheden op basis van brijn; water dat een hoge concentratie aan zout en andere elementen bevat.

Verdamping in het lang en het breed

Om lithium uit brijn te ontginnen, wordt het water gewoonlijk verdampt in grote vijvers. Dat is enkel haalbaar op plaatsen waar veel ruimte beschikbaar is en een voldoende droog en warm klimaat om verdamping te stimuleren. Het duurt ook maanden tot jaren vooraleer de productie echt op gang komt. Een team onderzoekers aan de universiteit van Princeton heeft nu een methode ontwikkeld die veel minder ruimte en tijd vergt. De techniek zou bovendien rendabel zijn voor bronnen die te kleinschalig of te weinig geconcentreerd zijn voor traditionele methodes.

De onderzoekers gebruikten poreuze vezels om een soort garen te maken, met een kern die water aantrekt en een buitenschil die water afstoot. Wanneer ze het uiteinde van zo’n draad in een zoutwateroplossing laten hangen, zuigt die water naar omhoog aan de hand van capillaire werking. Dat is hetzelfde fenomeen waarmee bomen water opzuigen via hun wortels of waarom muren last hebben van optrekkend vocht. Aan de oppervlakte van het garen verdampt het water en laat het vaste bestanddelen zoals natrium en lithium achter. Na verloop van tijd raken die zouten geconcentreerd tot ze natriumchloride, of keukenzout, en lithiumchloride vormen. Op die manier kunnen ze makkelijk ‘geoogst’ worden.

Aparte kristallisatie

Een extra voordeel van de nieuwe techniek is dat lithium en natrium op verschillende plaatsen langs het garen kristalliseren omwille van verschillen in hun fysische eigenschappen. Natrium is minder oplosbaar en kristalliseert dus aan het lagere deel van de draad. Lithium lost makkelijker op en kristalliseert dus hoger. Dat liet de onderzoekers toe om beide stoffen apart te verzamelen. Bij andere methodes is daarvoor gewoonlijk nog een extra chemische behandeling voor nodig.

Volgens de onderzoekers bespaart hun nieuwe methode veel water vergeleken met verdampingsvijvers. Daarnaast is er minder dan een tiende zoveel ruimte voor nodig en gaat het proces ongeveer twintig keer sneller. De techniek zou ook interessant zijn voor brijn afkomstig van uitgeputte olie- en gasvelden en geothermie, bronnen die nu te kleinschalig of te weinig geconcentreerd zijn om er rendabel lithium uit te winnen. De onderzoekers verwachten dat hun methode ook zal werken in een vochtig klimaat. Ze testen momenteel zelfs of ze op deze manier lithium uit zeewater kunnen winnen.

Ondertussen werken de onderzoekers al aan het opschalen van hun techniek van het labo naar industriële schaal. De materialen die nodig zijn om het garen te produceren zijn alvast goedkoop en er zijn geen bijkomende chemische behandelingen nodig. Het team maakte al een installatie met honderd lithiumdraden. Ze zijn optimistisch dat een tweede generatie nog efficiënter en sneller zal werken, met meer controle over de kristallisatie.