Asst. Das Labor von Prof. Chong Liu entwickelt eine neue Art von Elektrode, die mithilfe eines als elektrochemische Interkalation bezeichneten Prozesses wertvolle Elemente aus Meerwasser extrahieren kann. Diese Methode könnte eine der nachhaltigsten Methoden zur Gewinnung von Lithium überhaupt darstellen. Bildnachweis: John Zich
Asst. Prof. Chong Liu versucht, Elektroden zu entwerfen, um Lithium für Batterien aus Meerwasser zu gewinnen.
Es wird geschätzt, dass der Verkauf von Elektrofahrzeugen bis zum Ende des Jahrzehnts die Lithiumnachfrage auf steigen lassen wird fünfmal so hoch wie heute. Dieser plötzliche Anstieg lässt Unternehmen suchen für neue Quellen des wertvollen Metalls, sondern ein Wissenschaftler an der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago glaubt, dass wir all das Lithium haben, das wir brauchen, und es wartet direkt vor der Küste.
Derzeit etwa 75 % des weltweiten Lithiums stammt aus einem bergigen Landstreifen zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, einem Gebiet namens Lithium-Dreieck. Dort wird das Metall gewonnen, indem Sole in riesige Freiluftbecken gepumpt wird, wo es über einen Zeitraum von einem Jahr verdunstet. Dieser langwierige Prozess stellt jedoch einen großen Engpass in einer lithiumhungrigen Welt dar, und obwohl es andere Quellen gibt, sind die meisten mit Umweltkosten verbunden.
Asst. Prof. Chong Liu
Um den drohenden Mangel zu verhindern, haben viele Länder, darunter die USA, suchen nach nachhaltigen Gewinnungsmethoden für das gefragte Element. Hier kommt Chong Liu, Assistenzprofessor der Familie Neubauer an der Pritzker School of Molecular Engineering, ins Spiel.
Liu ist Materialwissenschaftlerin – sie untersucht die Eigenschaften von Materie, um hochspezialisierte Materialien herzustellen. Derzeit entwickelt ihr Labor einen neuen Elektrodentyp, der mithilfe eines Prozesses namens elektrochemische Interkalation wertvolle Elemente aus Meerwasser extrahieren kann. Und obwohl sich Lius Arbeit noch in einem frühen Stadium befindet, könnte sie eine der nachhaltigsten Methoden zur Gewinnung von Lithium überhaupt darstellen.
„Unsere große Motivation ist es, einen Prozess zu schaffen, der so umweltfreundlich wie möglich ist“, sagte Liu. „Da wir einen elektrochemischen Ansatz verfolgen, vermeiden wir die Notwendigkeit intensiver Hitze oder starker Säuren vollständig, und wir erhalten nur das Element, das wir wollen – das ist die Selektivität für einzelne Ionen.“
Diesen Ansatz nimmt das US-Energieministerium ernst. Am 2. September wurde Liu als einer von 13 Forschern benannt, die einen Teil davon erhalten ein 30-Millionen-Dollar-Fonds darauf abzielt, die kritische Materialversorgung des Landes für saubere Energietechnologien zu sichern.
„Ausbau der Elektrofahrzeuginfrastruktur, Härtung des Stromnetzes unseres Landes und Stromversorgung unseres Wirtschaft mit Millionen von Arbeitsplätzen im Bereich saubere Energie hängen alle von der Sicherung der Lieferketten kritischer Materialien wie Kobalt und Platin ab“, sagte US-Energieministerin Jennifer M. Granholm. „Der Schlüssel zu unserer kohlenstofffreien Zukunft liegt im Hochfahren sauberer amerikanischer Industrien, dem Aufbau starker Lieferkettensysteme aus in Amerika hergestellten kritischen Materialien und dem aggressiven Einsatz der daraus resultierenden Klimatechnologien hier und im Ausland.“
Der elektrochemische Ansatz
Um Lius Methode zu verstehen, ist es hilfreich, sich einen Elektromagneten vorzustellen. Ähnlich wie ein Elektromagnet Eisenmetall anziehen und sammeln kann, kann Lius Prozess Lithium anziehen und sammeln. Bei der elektrochemischen Interkalation gibt es keinen Magnetismus – stattdessen werden die Ionen von einem elektrischen Feld angezogen – aber das Prinzip ist ähnlich. Die Arbeiter könnten eine Elektrodenanordnung in ein Becken mit Meerwasser tauchen, das Lithium anziehen und das gesammelte Lithium dann in einen Lagertank abgeben.
„Unsere große Motivation ist es, einen Prozess zu schaffen, der so umweltfreundlich wie möglich ist.“
- Prof. Chong Liu
Auf molekularer Ebene erreicht Liu dies, indem er hochspezifische Elektrodenmaterialien entwickelt, die Ionen zu den Elektroden ziehen, während sie nur bestimmte Elemente einfangen und einfangen.
Es gibt jedoch Herausforderungen bei diesem Ansatz. Da die Lithiumkonzentration im Meerwasser ziemlich niedrig ist, etwa 0.2 Teile pro Million, muss jede Extraktionstechnik äußerst effizient sein, um Lithium mit einer angemessenen Rate herauszuziehen. Um diese Elektroden im industriellen Maßstab zu verwenden, müssen sie außerdem aus hochselektivem, hochbeständigem Material hergestellt sein. Die Auswahl des besten Kandidaten dafür wird einige Zeit in Anspruch nehmen.
Liu versteht diese Herausforderungen und sie hat sie auf der Designebene berücksichtigt. Ihr Labor hat bereits vielversprechende Ergebnisse bei der Materialauswahl erzielt und die Kandidaten auf einige wenige wahrscheinliche Familien eingegrenzt, die sie mit neuen maschinellen Lerntechniken weiter verfeinert. Sie hofft, dass es innerhalb des nächsten Jahrzehnts ein neues, vollständig nachhaltiges System zur Gewinnung von Lithium geben wird.
„Ich gehe fest davon aus, dass wir innerhalb von 10, 20 Jahren einen vollständigen Wandel in der Art und Weise erleben werden, wie Menschen und Güter bewegt werden“, sagte Liu. „Aber um das zu schaffen und den Klimawandel ernsthaft anzugehen, müssen wir umweltfreundliche Methoden für jeden Aspekt dieses Prozesses finden, einschließlich der Batterieherstellung. Das erhoffen wir uns zu liefern.“
