Der Rohstoff Lithium ist für viele unserer Technologien unverzichtbar, denn das Alkalimetall ist Hauptbestandteil von Lithium-Ionen-Akkus. Doch die begehrte Ressource wird zunehmend knapp, weil die globale Nachfrage durch den Ausbau der Elektromobilität rapide steigt. Bisher stammt ein großer Teil der industriell genutzten Lithiumverbindungen aus den Salzseen Südamerikas, wo dieser Rohstoff mit relativ geringen Kosten extrahiert werden kann. Allerdings zieht diese Extraktion erhebliche ökologische und soziale Folgen nach sich.
Eine weitere Lithiumquelle sind lithiumhaltige Erze wie das Mineral Spodumen. Ihr großer Vorteil: „Solche Gesteine finden sich fast überall“, erklärt Co-Autor Camden Hunt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Vorkommen dieser Erze gibt es in Australien, Nordamerika und Afrika, aber auch bei uns in Europa. In Deutschland finden sich lithiumhaltige Gesteine beispielsweise im Erzgebirge.
Lithiumextraktion ohne Hitze und Abwässer
Doch die Extraktion des Lithiums aus den Erzen ist aufwendig und zwei- bis dreimal teurer als die Lithiumgewinnung aus Salzseen. Das Gestein muss dafür auf rund 1000 Grad aufgeheizt, mit starken Säuren behandelt und anschließend neutralisiert werden. Das erfordert viel Energie, erzeugt hohe CO2-Emissionen und hinterlässt große Mengen saurer oder stark basischer Abwässer, wie die Forschenden erklären. Wegen dieses Aufwands wird ein Großteil der lithiumhaltigen Erze bisher in China aufbereitet – angesichts politischer Konflikte und möglicher Engpässe wird dies jedoch zum Problem.
Es gibt jedoch eine Lösung, wie nun Hunt, Erstautor Benjamin Mowbray vom MIT und ihre Kollegen berichten. Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die für Akkus und Co benötigten Lithiumverbindungen ohne große Hitze und schädliche Abwässer aus Spodumen extrahieren lassen. Zudem trennt das Verfahren neben Lithium auch die Rohstoffe Aluminium und Silikat aus dem Erz ab und minimiert den Abraum. „Das Schlüsselmerkmal unseres Prozesses ist jedoch die Wiedergewinnung der Reaktionslösung und des genutzten Wassers“, betont das Team.
Gängiger Ablauf auf den Kopf gestellt
Das neue Verfahren funktioniert genau umgekehrt wie die herkömmlichen Prozesse: Diese lösen gezielt die gewünschten Metalle aus dem Silikatgerüst des Spodumens heraus, weil die chemische Bindung zwischen Silizium und Sauerstoff im Silikat schwer aufzubrechen ist. Mowbray und sein Team stellen dies auf den Kopf: „Unser Prozess löst die Aluminosilikat-Matrix des Spodumens auf und setzt so Lithium, Aluminium und Silizium in Form fluorierter Salze frei“, erklären sie.
Möglich wird dies durch das Salz Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2). In wässriger Lösung kann es schon bei Raumtemperatur die stabilen Bindungen im Silikat aufbrechen und mit den im Erz enthaltenen Metallen reagieren, wie die Forscher erklären. Das Ergebnis sind die metallhaltigen Fluorsalze Lithiumfluorid (LiF), Ammoniumkryolith (NH4)3AlF6 und Ammoniumhexafluorsilikat (NH4)2SiF6). Diese können mit einfachen Mitteln abgeschieden oder direkt durch Filtration isoliert werden.
Effiziente Rohstoffgewinnung im Kreislaufsystem
In ersten Tests konnte das Team mehr als 99 Prozent des im Spodumen enthaltenen Lithiums mit diesem Verfahren extrahieren, nach 48 Stunden erreichte ihre Extraktion sogar 100 Prozent – ohne starkes Erhitzen oder andere aufwendige Prozessschritte. „Das Lithiumfluorid kann dann abfiltriert, durch Rekristallisation gereinigt und mithilfe von schwefliger Säure entfluoriert und in Lithiumhydroxid oder Lithiumkarbonat umgewandelt werden“, schreiben Mowbray und sein Team. Diese Lithiumverbindungen sind die Rohstoffe für Lithium-Ionen-Akkus.
Doch auch weitere wertvolle Rohstoffe gewann das Team aus dem Spodumen: Der Ammoniumkryolith lässt sich über mehrere Schritte in Aluminiumoxid umwandeln, aus dem Aluminium gewonnen werden kann. Aus dem Ammoniumhexafluorsilikat entsteht in einem weiteren Nebenprozess Siliziumdioxid. „Dafür benötigen wir nur Ammoniumfluorid, Salpetersäure und Wasser als Zusätze“, berichten die Forscher. Wie sie betonen, wird in ihrem Verfahren – anders als bei starkem Erhitzen – kein giftiger Fluorwasserstoff aus dem Ammoniumhydrogendifluorid freigesetzt.
Ein weiterer Vorteil: Das für den Prozess eingesetzte Wasser und Ammoniumhydrogendifluorid können nahezu vollständig wiedergewonnen werden – es entsteht ein fast geschlossener Kreislauf. „Das erreichen wir, indem die nach der Lithiumextraktion übrigbleibende Ammoniumfluoridlösung (NH4F) erhitzen und das im Prozessverlauf freigesetzte Ammoniakgas wieder einleiten. Dadurch bildet sich erneut Ammoniumhydrogendifluorid“, schreiben die Forscher. „Diesen Recyclingzyklus haben wir über fünf Zyklen hinweg demonstriert.“
„Der energiesparendste und günstigste Weg, Lithium zu gewinnen“
Die entscheidende Frage ist jedoch, wie viel das Ganze kostet. Ist es gegenüber den gängigen Verfahren konkurrenzfähig? Das haben Mowbray und sein Team in einer technisch-ökonomischen Modellanalyse untersucht. Ihr Ergebnis: „Für die Gesamtproduktionskosten kommen wir auf 5160 US-Dollar pro Tonne Lithiumkarbonat-Äquivalent – das ist halb so viel wie für das gängige Extraktionsverfahren aus Spodumen“, berichten die Forscher. Die Lithiumgewinnung aus Gestein würde dann kaum mehr kosten als aus den Salzseen.
Wenn man dann noch den Wert der Co-Produkte mit einbezieht, würde dies die Kosten auf rund 3900 US-Dollar pro Tonne Lithiumkarbonat-Äquivalent senken. Das sei 56 Prozent weniger als bei der aktuellen Erzverarbeitung und 20 Prozent weniger als bei der Lithiumgewinnung aus konzentrierten Solen, schreibt das Team. „Unserer Meinung nach ist dies der energiesparendste und günstigste Weg, Lithium zu gewinnen – nicht nur aus Erz, sondern überhaupt“, sagt Seniorautor Yet-Ming Chiang vom MIT.
Chance für eine Dezentralisierung
Nach Ansicht der Forscher eröffnet ihr Verfahren damit eine echte Chance, die Lithiumgewinnung günstiger und dezentraler zu machen. Das sehen auch die nicht an der Studie beteiligten Chemiker Gang San Lee und Karthish Manthiram vom California Institute of Technology so: „Weil Brennöfen für hohe Temperaturen überflüssig werden, sind keine großskaligen Anlagen mehr nötig und die Kosten für die Infrastruktur sinken“, schreiben sie in einem begleitenden Kommentar in „Science“.
Dadurch könnte man das Spodumen dezentral direkt an den Minen verarbeiten, statt das Roherz per Schiff um die halbe Welt zu transportieren. Auch die Monopolstellung Chinas bei der Verarbeitung von Spodumen ließe sich so durchbrechen, weil die Extraktion vor Ort auch bei kleineren Vorkommen lohnend wäre.
Quelle: Benjamin Mowbray (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA) et al., Science, 2026; doi: 10.1126/science.aec4652
