Lithium – Ein Schlüsselrohstoff der E-Mobilität

**Nordwest-Argentinien-Salinas Grandes** – istockphoto.com/xeni4ka

Unter den Alkalimetallen hat Lithium neben dem höchsten Schmelz- und Siedepunkt zudem die höchste Energie und Leistungsdichte. In vielen unterschiedlichen Bereichen findet Lithium aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften Anwendung. Lithium ist ein wichtiger Rohstoff, der für zahlreiche Produkte benötigt wird. Das „weiße Gold“ steckt neben der Verwendung in der Glas- und Keramikproduktion und als Schmierstoff, vor allem in Batterien. Wegen des Elektroautobooms stieg die Nachfrage nach Lithium rasant an. Das meiste Lithium wird in Südamerika abgebaut, gefolgt von Australien und China.

Um ihre Klimaziele zu erreichen, setzt die EU unter anderem auf Elektromobilität. Für den Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektrofahrzeuge stellt Lithium einen, wenn nicht sogar den, Schlüsselrohstoff dar. Derzeit setzen namhafte Hersteller auf einen mit Lithium-Batterie betriebenen Elektromotor, der den Verbrenner ersetzen soll. Das Leichtmetall gilt aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften als nicht ersetzbar. An Alternativrohstoffen und -batterien wird aber seit einiger Zeit geforscht und es konnten inzwischen lithiumfreie Batterien für die industrielle Herstellung entwickelt werden. Langfristig gesehen werden sie die Lithiumbatterie ablösen.

Die Nachfrage nach Lithium wird vermutlich in den nächsten Jahren aber noch steigen. Allein für die elektrisch betriebenen PKW wird der zusätzliche Bedarf auf das 3,5-fache der heutigen globalen Lithiumproduktion geschätzt.

In Europa wird Lithium nicht primär gewonnen. Die hiesige Industrie ist auf den Import von Vorprodukten angewiesen. Eine Selbstversorgung Europas aus Europa wäre 2030 nur zu etwa 27-34 % möglich. Das Recycling könnte lediglich ca. 3-10 % des Bedarfs in Europa im Jahr 2030 decken. Es wird daher weiterhin bei einer hohen Importabhängigkeit bleiben.

Lithium zählt zu den nicht erneuerbaren Rohstoffen und ist daher nicht unendlich verfügbar. Über die weltweiten Lithium Reserven wird viel diskutiert. Verschiedene Schätzungen ergeben sehr unter-schiedliche Zahlen. In so mancher Veröffentlichung finden sich Fakten apart oder gepaart mit Spekulationen. Welche Darstellung dabei am häufigsten herangezogen wird, ist besonders für börsennotierte Unternehmen sicherlich nicht ganz unerheblich.

Wie die Quantitätsverhältnisse aller in der Technologie verwendeter Elemente auf der Erde sind, veranschaulicht nachfolgende Abbildung:

Was ist Lithium?

Lithium kommt auf Grund seiner großen Reaktivität in der Natur nicht elementar, sondern nur gebunden in Form seiner Salze vor. Lithium ist elementar ein silberweißes und das leichteste Metall in fester Form. 1 Liter wiegt nur etwa 0,5 kg. Es besitzt zwar die größte Härte aller Alkalimetalle, lässt sich aber dennoch mit dem Messer schneiden.

Lithium hat unter den Alkalimetallen neben dem höchsten Schmelz- und Siedepunkt auch das höchste elektrochemische Potenzial. Dies ermöglicht sehr hohe Energie- und Stromdichten in Batterien. Es hat zudem eine geringe Dichte und die höchste spezifische Wärmekapazität von Feststoffen. Damit ist Lithium für den langen Gebrauch in Batterien besonders gut geeignet.

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Vorkommen

Die Erdkruste enthält prozentual durchschnittlich 0,006 % Lithium. Damit steht Lithium an 27. Stelle der Elementhäufigkeiten. Es sind mehr als 20 lithiumhaltige Mineralien bekannt, von denen jedoch nicht alle technische Bedeutung besitzen.

Lithium kommt natürlicherweise als Lithiumchlorid in Salzlaugen, wie zum Beispiel Salzseen vor. Auch in Meerwasser ist Lithium vorhanden. Die größten technisch ausbeutbaren Lithiumvorkommen befinden sich in Chile und Argentinien, weitere in den USA (North Carolina und Nevada), Kanada, Australien, Simbabwe und China (Tibet).

Wichtigster Ausgangsstoff für die technische Darstellung von Lithium ist Lithiumchlorid, das durch alkalischen Aufschluss des Minerals Spodumen mit einem Gemisch aus Calciumoxid und -chlorid erhalten wird. Das Metall selbst wird durch Schmelzflusselektrolyse eines eutektischen Gemisches von Lithiumchlorid mit anderen Alkalimetallsalzen, z.B. Kaliumchlorid, gewonnen.

Gewinnung – von der Lagerstätte zum Rohstoff

Nach Schätzungen der Deutschen Rohstoffagentur (DERA) wird sich der globale Bedarf an Lithium von derzeit etwa 33.000 Tonnen bis zum Jahr 2025 mindestens verdoppeln. Damit wird die Nachfrage nach Lithium so stark steigen wie bei keinem anderen strategischen Metall, das für die Elektromobilität wichtig ist. Die Nachfrage wird im Jahr 2030 vom Batteriesektor, speziell der E-Mobilität, dominiert werden.

Bei der Produktion von Lithium (carbonat) werden zwei Produktionsprozesse unterschieden:

Primäre Lagerstätten: Abbau aus Festgestein und Anreicherung in Konzentraten
Sekundäre Lagerstätten: Gewinnung aus lithiumhaltigen Solen

Aus den lithiumhaltigen Solen (Salare) oder Konzentraten wird anschließend meistens Lithiumcarbonat gewonnen (teilweise auch direkt Lithiumhydroxid), welches dann weiterverarbeitet wird. Lithium wird in Australien vorwiegend aus Gestein im offenen Tagebau, in Südamerika häufig aus Salzwasser gewonnen. Die größten Lithium Reserven sind in Salaren im sogenannten Lithiumdreieck zwischen Südbolivien, Nordchile und Nordwestargentinien zu finden. Australien verfügt derzeit über die weltweit größte Produktionskapazität aus Festgestein. Weitere bedeutende Lagerstäten existieren u.a. in China, Simbabwe, Portugal und Brasilien.

Seltener ist die Gewinnung aus Thermal- oder Grubenwasser in Europa. Im Südwesten Deutschlands soll Lithium gelöst in salzigen Thermalwasserreservoiren in größeren Mengen vorhanden sein. Hier laufen Projekte, das Lithium in Geothermieanlagen aus den Tiefengewässern des Oberrheingrabens zu fördern.

Produktionsprozess aus Thermalwasser

Eine Pilotanlage ist am Geothermiekraftwerk in Insheim in Betrieb.

Das Verfahren besteht aus den Schritten Anlagern, Ablösen und Raffinieren. Im ersten Schritt wird das Thermalwasser in einen Behälter mit einem Adsorptionsmaterial gefüllt, das die freien Lithiumionen einfängt. Nach der Anlagerung wird das Thermalwasser abgepumpt und dem Geothermalkreislauf wieder zugeführt. Im zweiten Schritt wird der Behälter mit einem sauren Lösungsmittel befüllt, das die Lithiumionen aus dem Adsorptionsmaterial herauswäscht. Die mit Lithium angereicherte Lösung wird sodann abgepumpt und im letzten Schritt zu Lithiumchlorid veredelt. Dieses wird dann in einer Elektrolyseanlage zu Lithiumhydroxid umgewandelt.

Um das Lithium in der Batterieproduktion einsetzen und Batteriezellen fertigen zu können, muss das Lithium aus den Mineralien gelöst werden. Wichtigster Ausgangsstoff für die technische Darstellung von Lithium ist Lithiumchlorid. Lithiumchlorid wird durch alkalischen Aufschluss aus Lithium-Mineralien dargestellt. Das Metall selbst wird durch Schmelzflusselektrolyse eines eutektischen Gemisches mit anderen Alkalimetallsalzen gewonnen.

Das nichtmetallische Lithium wird für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien in Form von Leitsalzen, in den nichtwässrigen Elektrolyten eingebracht. Für die Herstellung der Leitsalze wird Lithiumcarbonat verwendet.

Rohstoffgewinnung kritisch betrachtet

Die Nachfrage am Weltmarkt nach Lithium steigt, doch das Vorkommen ist endlich und der Abbau umstritten. Die Frage der nachhaltigen Gewinnung des Rohstoffs rückt zudem immer mehr in den Fokus.

Die Belastungen des Lithium Abbaus auf das Ökosystem sind gravierend. Sie ergeben sich durch enorme Flächeninanspruchnahme, großen Bedarf an Wasser, Emissionen von Schadstoffen in Wasser, Boden und Luft. Ein besonders großes Problem beim Lithium-Abbau z.B. in Lateinamerika, ist die Kontamination der Gewässer, was zu einer Gesundheitsgefährdung der Menschen führt.

Es stellt sich die Frage nach der richtigen Balance zwischen Vor- und Nachteilen der Fokussierung auf lithiumhaltige Technologie.

Für was wird Lithium verwendet?

Vor 30 Jahren spielte Lithium in der industriellen Produktion noch keine bedeutende Rolle. Vorwiegend in der Glas- und Keramikproduktion oder als Schmierstoff wurde es eingesetzt. Auch in der Pharmazie fand und findet es noch heute Verwendung.

Mit der Entdeckung des großen elektrochemischen Potenzials, der hohen Kapazität und Energiedichte, der langen Zykluslebensdauer und der guten Temperaturbeständigkeit von Lithium änderte sich die Bedeutung des höchst vielseitigen Metalls. Lithium revolutionierte die Batteriezellenproduktion.

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Seit einigen Jahren steigt die Verwendung daher insbesondere in wiederaufladbaren Batterien, also Lithiumionen-Akkus, sowohl in der Unterhaltungselektronik (Tablets, Smartphones) als auch in Elektrofahrzeugen. Die Elektromobilität steht für die Mobilität der Zukunft und soll den Verbrennungsmotor ersetzen. Dies bedeutet einen rasant steigenden Bedarf an Lithium in den nächsten Jahren

Welche Lithiumformen gibt es?

Reines Lithium ist an der Luft sehr reaktiv. Es wird daher in Form verschiedener Lithiumsalze produziert und verarbeitet. Hier dominieren Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid, aber auch Lithiumchlorid. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte dieser Verbindungen wurde zur besseren Vergleichbarkeit der Begriff „Lithiumcarbonatäquivalent“ (LCE) eingeführt.

Seit 2019 wird die Anwendung von Lithiumhydroxid bei der Festkörpersynthese von Kathodenmaterialien für Lithium Ionen Batteriesysteme bevorzugt, da diese eine schnelle und vollständige Synthese bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht. Dadurch verbessern sich Leistung und Lebensdauer einer Lithiumionen-Batterie. Für diese Anwendungen wird die höchste Reinheit der Lithiumsalze von mindestens 99,5 % (Battery Grade) benötigt.

Welches Verfahren wird für die Lithiumextraktion zum Einsatz kommen?

Es bieten sich verschiedene Optionen für die Lithiumextraktion aus heißem Tiefenwasser an, die unter dem Oberbegriff „Direkte Lithium-Extraktionsprozesse (DLE)“ zusammengefasst werden. Eine Methode zur direkten Extraktion von Lithium aus Thermalwässern stellen Sorptions- bzw. Ionenaustauschprozesse dar. Dabei findet die Sorption an anorganischen Sorbenten statt. Diese Sorbenten verfügen über eine hohe Selektivität für Lithium-Ionen, was durch die hohe Salzfracht der Thermalwässer vorteilhaft ist.

Im Zusammenhang mit heißen Tiefenwässern sind die Flüssig-Flüssig-Extraktion, die Kopräzipitation (Verfahren, bei dem normalerweise lösliche Verbindungen durch einen Niederschlag aus der Lösung entfernt werden) an Aluminiumverbindungen sowie Ionentauscherharze und Membranverfahren weitere Verfahren, die untersucht werden.

Lithium Einstufung als gefährliches Material

Lithium ist ein Metall mit einer hohen Reaktivität. In der Natur kommt es deshalb nicht elementar vor. Wie alle Alkalimetalle reagiert elementares Lithium schon in Berührung mit der Hautfeuchtigkeit und führt so zu schweren Verätzungen und Verbrennungen. An der Luft läuft es innerhalb weniger Minuten trüb an, und mit Wasser reagiert Lithium heftig, wobei Lithiumhydroxid entsteht, und hochentzündlicher Wasserstoff freikommt. Lithium ist feuergefährlich und auch explosiv. Es gibt im Feuer reizende oder giftige Gase ab. Die Brand- und Explosionsgefahr ist hoch.

Für die Energiewende spielt der Rohstoff Lithium eine zentrale Rolle, da zur Produktion von Elektrobatterien und Elektrofahrzeugen Lithiumsalze benötigt werden. Lithium wurde 2020 in die EU-Liste der kritischen Rohstoffe aufgenommen.

Die EU Kommission prüft derzeit einen Vorschlag des ECHA-Ausschusses für Risikobewertung (RAC), Lithiumcarbonat, -chlorid und -hydroxid als reproduktionstoxisch für die menschliche Gesundheit einzustufen. Dies würde die Verwendung von Lithiumsalzen einschränken oder gar stoppen oder restriktivere Regelungen bedeuten. Die EU-Mitgliedsstaaten gaben ihre Stellungnahmen an einen Ausschuss ab, der am 5. und 6. Juli zusammentrat, um über Chemikalien einschließlich Lithium zu beraten, deren Einstufung als gefährlich empfohlen wurde. Eine endgültige Entscheidung wird für Ende 2022 oder Anfang 2023 erwartet. „Die Einstufung von Lithium als gefährlich würde die Herstellung, Verwendung und das Recycling von Lithiumchemikalien für Batterien in Europa zusätzlich erschweren“, so eine Quelle aus der Industrie.

Lithium wird aufgrund seines Gefahrenpotenzials durch die internationalen Gefahrgutvorschriften als UN1415, ein Stoff der Klasse 4.3 mit Verpackungsgruppe I klassifiziert. Klasse 4.3 umfasst Stoffe, die bei Kontakt mit Wasser entzündbare Gase entwickeln und darüber hinaus beim Kontakt mit Luft explosionsfähige Stoffe bilden können. Zudem ist Lithium der Verpackungsgruppe I zugeordnet, d.h. er hat den Gefährlichkeitsgrad von heftigen Reaktionen.

Lithiumhydroxid ist als UN2680 der Klasse 8 klassifiziert. Die Gefahrgutklasse 8 fasst ätzenden Stoffe zusammen. Neben der hautätzenden Eigenschaft und der Zerstörung von Gewebe zeichnen sich ätzende Stoffe durch weitere Eigenschaften aus. Sie werden in den Gruppen C1 bis C11 aufgeführt. Lithiumhydroxid ist als C6 klassifiziert, einem anorganischen, festen Stoff basischen Charakters. Sowohl für Lithium als auch für Lithiumhydroxid bedeutet die gefahrgutrechtliche Einstufung, dass der Transport dieser Stoffe verschärften Bedingungen unterliegt.

Auch Produkte, die Lithium enthalten wie z.B. Lithiumbatterien, Geräte, die solche Batterien enthalten als auch lithiumbatteriebetriebene Fahrzeuge sind im internationalen Transportrecht als Gefahrgut eingestuft und unterliegen strengen gesetzlichen Vorgaben. Im Gefahrgutrecht sind eine Reihe von Lithiumstoffe wie z.B. Lithiumaluminiumhydrid, Lithiumborhydrid, Lithiumhydrid und Lithiumsilicium, etc. gelistet:

Recycling

Die Rückgewinnung von Lithium ist derzeit nur wenig umgesetzt bzw. befindet sich im Entwicklungsstadium. Zum einen ist die für das Recycling verfügbare Menge an lithiumhaltigem Material noch relativ gering, zum anderen ist das Recycling im Vergleich zum Bergbau relativ teuer.

Lithium wird in Lithiumbatterien nicht als reines Metall verarbeitet, sondern zusammen mit anderen Komponenten, die sich nicht ohne weiteres trennen lassen. In Deutschland gibt es bisher nur wenige Unternehmen, die den Recyclingprozess beherrschen. Zur größten Herausforderung während des Recyclingprozesses gehört die Verhinderung des Thermal Runaways sowie die hohe Brandlast einer Lithium Ionen Batterie. Dies betrifft nicht nur Elektroautos, sondern auch Batterien aus mobilen Geräten wie Smartphones oder Laptops.

Autor: Ariane Stachowsky, Gefahrgutbeauftragte, Luftsicherheitsbeauftragte