Lithium für Elektroautos: Wie nachhaltig ist die Gewinnung des „weißen Goldes“?

Millionen von Elektroautos sollen in den kommenden Jahren auf unseren Straßen fahren, angetrieben von leistungsstarken Li-Ion-Akkus (Hintergrund). Doch woher kommt das Lithium für Elektroautos, und wie wird es gewonnen? Derzeit ist der Li-Abbau mit nachteiligen Umweltauswirkungen verbunden, und der Großteil der weltweiten Produktion stammt aus Australien und Südamerika. Sind neue Technologien wie die von Vulcan Energy oder EnergyX die Antwort auf diese Herausforderungen? Können sie uns helfen, Lithium („weißes Gold“) nachhaltig und umweltfreundlich zu gewinnen?

Was ist Lithium – Leichtmetall mit außergewöhnlichen Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften:

• Ordnungszahl: 3
• Atommasse: 6,941 u (Atomare Masseneinheit)
• Schmelzpunkt: 180,5 °C (453,65 K)
• Siedepunkt: 1342 °C (1615 K)
• Dichte: 0,534 g/cm³ (bei 20 °C) – das leichteste aller Metalle und das zweitleichteste aller Elemente (nach Wasserstoff).
• Aggregatzustand: Fest (bei Raumtemperatur)
• Farbe: Silberweiß

Chemische Eigenschaften:

• Reaktivität: Lithium ist das reaktivste aller Alkalimetalle und reagiert heftig mit Wasser, Sauerstoff und anderen Nichtmetallen. Es bildet leicht Lithiumverbindungen wie Li-Oxid (Li₂O) und Li-Hydroxid (LiOH). Es oxidiert schnell an der Luft und bildet eine graue Schicht.
• Elektropositivität: Li hat eine hohe Tendenz, Elektronen abzugeben und positiv geladene Ionen (Li⁺) zu bilden. Dies macht es zu einem starken Reduktionsmittel.
• Flammenfärbung: Li-Verbindungen erzeugen eine charakteristische karminrote Flammenfärbung.

Besondere Eigenschaften:

• Hohe spezifische Wärmekapazität: Lithium kann viel Wärmeenergie speichern, ohne dass sich seine Temperatur stark erhöht.
• Hohe elektrische Leitfähigkeit: Li leitet elektrischen Strom sehr gut.
• Niedriges Normalpotential: Li hat das niedrigste Standard-Elektrodenpotential aller Elemente, was es zu einem idealen Material für Batterien macht.

Der Name Lithium wurde dem Element gegeben, da es 1817 von dem schwedischen Chemiker Johan August Arfwedson in Mineralfunden entdeckt wurde. Im Altgriechischen bedeutet Lithos Stein. Li ist ein faszinierendes Element mit verschiedenen Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen unverzichtbar machen, nicht nur im Bereich Elektroautos. Es ist das leichteste aller Metalle.

Das Leichtmetall in der Natur:

Lithium kommt in der Natur nicht elementar vor, sondern nur in Form von Verbindungen, hauptsächlich in Mineralien wie Spodumen, Lepidolith und Petalit. Es wird auch in Salzseen (Solen) gefunden, insbesondere in Südamerika. In Spuren kommt es auch im Meer vor.

Lagerung:

Aufgrund seiner hohen Reaktivität wird Lithium unter Schutzgas (z. B. Argon) oder in Mineralöl gelagert, um den Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit zu vermeiden.

Sicherheitshinweise:

Lithium reagiert heftig mit Wasser und kann Brände verursachen. Daher ist beim Umgang damit Vorsicht geboten. Es sollte nur von geschultem Personal unter geeigneten Sicherheitsvorkehrungen gehandhabt werden. Bereits bei Kontakt mit dem silberweißen Leichtmetall treten schwere Verätzungen und Verbrennungen auf.

Alkalimetall mit enormer Power für die Elektromobilität

Li, das Alkalimetall von silberweißer Farbe, ist viel mehr als ein simples Element im Periodensystem. Seine einzigartigen Merkmale wie das geringe Gewicht und die hohe spezifische Kapazität machen es zu einem essenziellen Bestandteil moderner Lithium-Batterien, die eine entscheidende Rolle in Elektrofahrzeugen spielen.

Doch was genau macht weißes Gold so besonders für die Elektromobilität?

• Energiedichte: Das Metall kann eine große Menge Energie in einem kleinen Raum speichern, was zu leistungsstarken und langlebigen Batterien führt.
• Leichtgewicht: Lithium ist das leichteste aller Metalle, was das Gesamtgewicht von Elektrofahrzeugen reduziert und somit die Reichweite erhöht.
• Schnelle Ladezeit: Li-Ion-Batterien können im Vergleich zu anderen Batterietypen relativ schnell aufgeladen werden, was für die Alltagstauglichkeit von Elektroautos entscheidend ist.

Moderne Elektrofahrzeuge setzen auf Batterien als essentielle Komponente. Dank ihrer hohen Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und schnellen Ladezeit sind sie die bevorzugte Wahl für die Elektromobilität. Doch welche Bedeutung hat das Alkalimetall in diesen Batterien?

Weißes Gold für Elektroautos: Schlüssel zur Leistungsfähigkeit?

Der Lithium-Ionen Akku besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Kathode: Häufig werden Li-Verbindungen wie Li-Kobalt-Oxid oder Li-Eisen-Phosphat verwendet. Diese Materialien ermöglichen eine hohe Energiedichte, d.h. sie speichern viel Energie auf kleinem Raum.
• Anode: In der Regel besteht die Anode aus Graphit, das Li-Ionen während des Ladevorgangs aufnehmen kann.
• Elektrolyt: Eine leitfähige Flüssigkeit oder ein Gel, das den Fluss von Li-Ionen zwischen Kathode und Anode ermöglicht.

Die hohe spezifische Kapazität – die Fähigkeit, eine große Menge an elektrischer Ladung zu speichern – ist entscheidend für die Reichweite und Leistung von Elektroautos. Lithium-Ionen Batterien können Tausende von Ladezyklen durchlaufen, bevor ihre Leistung merklich nachlässt, was sie besonders langlebig macht.

Umwelt- und Nachhaltigkeitsaspekte der Lithiumgewinnung

Obwohl der Lithium Ionen Akku als Schlüsseltechnologie für eine nachhaltigere Mobilität gilt, sind sie nicht ohne ökologische Fußabdruck. Die Gewinnung und Produktion dieser Lithium Ionen Batterien bringen erhebliche Umweltherausforderungen mit sich.

Der Lithium Abbau, insbesondere in großen Mengen und in sensiblen Ökosystemen, kann gravierende Folgen haben:

• Wasserverbrauch: Die Gewinnung aus Salzseen in Südamerika erfordert enorme Mengen an Wasser, was zu Wasserknappheit und Konflikten mit der lokalen Bevölkerung führen kann.
• Boden- und Grundwasserverschmutzung: Chemikalien, die beim Abbau und der Verarbeitung von Li verwendet werden, können Böden und Grundwasser kontaminieren und langfristige Schäden verursachen.
• Landschaftszerstörung: Tagebaue zur Li-Gewinnung hinterlassen tiefe Narben in der Landschaft und zerstören Lebensräume.

Batterieproduktion: Giftige Chemikalien im Einsatz

Auch die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien birgt Risiken für die Umwelt:

• Einsatz von schädlichen Chemikalien: Bei der Produktion werden giftige Substanzen wie Kobalt und Lösungsmittel verwendet, die bei unsachgemäßer Entsorgung die Umwelt belasten können.
• Hoher Energieverbrauch: Die Herstellung vom Lithium-Akku ist energieintensiv und kann, abhängig von der Stromquelle, zu erheblichen CO₂-Emissionen führen.
• Zu den Batterien auf Li-Basis zählen auch Lithium-Polymer-Akkus und solche mit Lithium-Eisen-Phosphat.

Hoffnungsschimmer: Nachhaltige Alternativen

Um die Umweltauswirkungen von Li-Ion-Batterien zu minimieren, wird intensiv an nachhaltigeren Lösungen geforscht:

• Direkte Lithiumextraktion (DLE): Diese innovative Technologie ermöglicht eine effizientere und umweltfreundlichere Gewinnung aus Salzlaken, mit geringerem Wasser- und Flächenverbrauch.
• Recycling von Batterien: Das Recycling (Kreislaufwirtschaft) gewinnt zunehmend an Bedeutung, um wertvolle Rohstoffe zurückzugewinnen und die Umweltbelastung zu reduzieren.
• Entwicklung neuer Batterietechnologien: Forscher arbeiten an alternativen Batterietechnologien, die weniger problematische Materialien verwenden und eine höhere Nachhaltigkeit versprechen.

Unternehmen wie Lilac Solutions oder EnergyX setzen auf DLE.

Lithium-Abbau: Zwischen Tagebau und Salzseen – ein Überblick

Die Gewinnung vom weißen Gold der Elektromobilität, erfolgt weltweit auf zwei Hauptwegen:

1. Hartgestein-Abbau (Spodumen): Australien setzt vorwiegend auf den Abbau von Spodumen, einem Mineral. Dieses Verfahren ist jedoch energieintensiv und verursacht hohe CO₂-Emissionen, insbesondere durch das „Rösten“ des Gesteins mit fossilen Brennstoffen.
2. Sole-Verdampfung: In Südamerika, vor allem im Dreieck Chile, Bolivien und Argentinien, wird das Metall aus salzhaltigen Lösungen (Solen) unterirdischer Salzseen gewonnen. Diese Methode ist zwar weniger CO2-intensiv, birgt aber andere Herausforderungen, wie den hohen Wasserverbrauch und mögliche Auswirkungen auf lokale Ökosysteme.

Der Wissenschaftler Tom Bötticher fasst die Thematik Lithium für Elektroautos in diesem Video zusammen:

Europäische Ambitionen: Weißes Gold aus Portugal?

Auch in Europa gibt es Li-Vorkommen, insbesondere in Portugal. Die EU unterstützt den Ausbau der dortigen Li-Produktion, doch das Projekt „Mina do Barroso“ stößt auf Widerstand von Umweltschützern, die negative Auswirkungen auf Landschaft und Wasser befürchten.

Wie lange reichen die weltweiten Reserven?

Die weltweiten Lithium-Reserven werden auf 14 Millionen Tonnen geschätzt, während die gesamten Ressourcen bei etwa 62 Millionen Tonnen liegen. Australien, Chile, China und Argentinien sind die führenden Produzenten. Trotz des steigenden Abbaus ist vorerst nicht zu erwarten, dass das weiße Gold knapp wird.

Die einzigartigen Eigenschaften machen das Alkalimetall zu einem vielseitig einsetzbaren Element in verschiedenen Bereichen. Eine der bekanntesten Anwendungen ist die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus, die nicht nur in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets, sondern vor allem auch in Elektroautos zum Einsatz kommen.

Neben der Batterietechnologie findet es auch Anwendung in der Medizin (z.B. zur Behandlung von bipolaren Störungen), in der Glas- und Keramikindustrie, als Schmiermittel und in vielen weiteren Bereichen. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien hat die Bedeutung von Li in den letzten Jahren weiter erhöht und macht es zu einem der begehrtesten Rohstoffe weltweit.

Filterung des Elements aus Grubenwasser?

Eine weitere Möglichkeit, Li-Salze zu gewinnen, besteht darin, Grubenwasser zu nutzen. Genau das machen Forscher vom Leibniz-Institut für Neue Materialien, wenngleich das Verfahren zur Gewinnung aus Grubenwasser noch am Anfang steht. Das Saarland unterstützt das Vorhaben finanziell.

Bislang wird es aus Gruben abgepumpt, gefiltert und in Flüsse abgeleitet. Alleine im Saarland 18 Millionen Kubikmeter pro Jahr. Das Potenzial, um das Element zu gewinnen liegt bei 30 bis 900 Tonnen jährlich.

Um den Rohstoff aus dem Grubenwasser zu extrahieren, nutzen die Forscher die Eigenschaften eines Lithium Akkus. Die Methode besteht darin, das Wasser durch eine Batteriezelle zu leiten, die einen Plus- und Minuspol besitzt. Während dieser Prozess abläuft, sammeln sich Lithium- und Chlor-Ionen an den Elektroden, während alle anderen Substanzen abfließen. Sobald die Elektroden gesättigt sind, wird das Material zu einem Feststoff getrocknet.

Unklar ist die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, die Effizienz und schließlich die Skalierbarkeit.

Zero Carbon Lithium aus Deutschland?

Hierzulande soll bald die Gewinnung beginnen. Es gibt tatsächlich Lithium Vorkommen in Deutschland. Unternehmer Francis Wedin von Vulcan Energy Resources nennt das „Zero Carbon Lithium“. Wedin möchte zum ersten Anbieter des weißen Goldes werden, das ohne CO₂-Emissionen auskommt.

Dabei spricht für den Standort Deutschland, dass es für die geothermische Energie eine Vergütung von 25 Cent pro Kilowattstunde gibt. Das erleichtert die Wirtschaftlichkeit der Vorhaben enorm. Und: Hierdurch benötigt das Verfahren keine Energie von außen. Zuletzt hat die Bundesregierung auch ein Gesetz zur Beschleunigung der Geothermie auf den Weg gebracht.

Dennoch haben Experten Zweifel, ob die Realisierung rentabel sein wird. Michael Schmidt, Geologe bei der Deutschen Rohstoffagentur, sagt: „Es gibt verschiedene Verfahren. Inwiefern diese im Zusammenhang mit dem Betrieb von Geothermie-Anlagen umgesetzt werden können, ist noch ungeklärt“, so Schmidt.

Heute sind die Eigenschaften von Li in den angesprochenen Anwendungen unverzichtbar – aber es gibt zumindest theoretische Alternativen: Silizium. Aber Silizium-Anoden in Batterien verspröden leicht und bislang ist dafür keine skalierbare Lösung in Sicht. Allerdings arbeiten viele Cleantech-Unternehmen daran, so dass sich das in nicht allzu ferner Zukunft ändern dürfte.

Boom: Explodierende Nachfrage befeuert Elektromobilität

Die Nachfrage nach dem weißen Gold explodiert – die Lithium-Preise rasen in den Keller. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) könnte sich der Bedarf bis 2030 vervierfachen, angetrieben durch den globalen Boom der Elektromobilität und den Ausbau erneuerbarer Energien.

Li-Ion-Batterien sind nicht nur das Herzstück von Elektroautos, sondern finden auch in der Energiespeicherung und Elektronik Anwendung. China, Vorreiter in Sachen Elektromobilität, ist derzeit der größte Verbraucher, doch auch Europa und die USA ziehen nach.

Die Deutsche Rohstoffagentur prognostiziert, dass bis 2025 bis zu 10 Millionen Elektroautos auf deutschen Straßen unterwegs sein könnten, ein Anstieg von 50 Prozent gegenüber 2018. Dieser rasante Anstieg wirft jedoch Fragen zur Nachhaltigkeit auf. Kann die Produktion mit der Nachfrage Schritt halten? Reichen die Ressourcen aus?

Die Gewinnung ist komplex und oft umweltschädlich. Neue Technologien wie DLE bieten Hoffnung für eine nachhaltigere Produktion. Doch auch das Recycling von Batterien wird entscheidend sein, um die Ressourcen zu schonen und die Umweltbelastung zu minimieren. Lithium ist das weiße Gold mit schwarzem Fleck – der Lithium-Hunger der Welt, wird vorerst nicht nachlassen. Aber die Fördermethoden werden besser, preisgünstiger und umweltfreundlicher. Und vor allem: Recycling wird rasant an Bedeutung gewinnen. Damit ist Lithium für Elektroautos eine (zukünftig) saubere Lösung.

(Dieser Beitrag entstand ursprünglich am 22. Juni 2020, ist am 15. Juli 2024 erweitert worden.)