Forscher nutzen PFAS, um Lithium zu gewinnen – Verfahren liefert 99 Prozent reinen Batterierohstoff

Lithium ist einer der wichtigsten Rohstoffe der Energiewende. Ohne das Metall laufen weder Elektroautos noch Smartphones oder große Stromspeicher. Doch sein Abbau gerät immer stärker in die Kritik. In trockenen Regionen Südamerikas verdunsten riesige Becken voller Salzlösung monatelang in der Sonne, um das Material zu gewinnen. Dabei gehen große Mengen Wasser verloren.

Parallel dazu wächst ein anderes Umweltproblem. PFAS – oft als Ewigkeitschemikalien bezeichnet – reichern sich weltweit in Böden, Gewässern und im Trinkwasser an. Diese Stoffe zerfallen kaum und bleiben über Jahrzehnte stabil. Eine neue Studie der Rice University beschreibt nun eine ungewöhnliche Idee: Ausgerechnet diese problematischen Chemikalien könnten helfen, Lithium aus salzhaltiger Sole zu gewinnen.

PFAS-Abfall wird zur Rohstoffquelle für Lithium

Die Forscher nutzten PFAS nicht direkt aus der Umwelt. Stattdessen arbeiteten sie mit Aktivkohlefiltern aus der Wasserreinigung. Diese Filter entfernen PFAS aus kontaminiertem Wasser. Danach gelten sie als belasteter Abfall.

In der neuen Methode erhält dieses Material eine zweite Funktion. Die Aktivkohle enthält PFAS-Moleküle, in denen Fluor gebunden ist. Lithium wiederum liegt in salzhaltigen Lösungen als positiv geladenes Ion vor. Treffen beide Stoffe unter geeigneten Bedingungen zusammen, entsteht ein neues Salz: Lithiumfluorid.

„Wir sahen eine Möglichkeit, das in PFAS eingeschlossene Fluor zu nutzen, um Lithium in einem schnellen Prozess mit geringerer Umweltbelastung zurückzugewinnen.“, beschreibt Erstautor Yi Cheng die Idee.

Extrem kurze Hitzeimpulse lösen Fluor aus PFAS

Der Schlüssel des Verfahrens liegt in einer speziellen elektrothermischen Methode. Die Forscher erhitzen das Material dabei in Sekundenbruchteilen extrem stark. Temperaturen steigen kurzzeitig auf mehr als 1.000 Grad Celsius.

Diese Hitze reicht aus, um die stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS aufzubrechen. Fluoratome werden frei. In der Salzlösung reagieren sie anschließend mit Lithium-Ionen. So entsteht Lithiumfluorid – ein Salz, das sich relativ leicht isolieren lässt.

Nach dieser Reaktion enthält die Mischung mehrere Fluoridsalze. Dazu zählen Lithiumfluorid sowie Fluoride von Magnesium oder Calcium. Ein weiterer Schritt trennt diese Stoffe voneinander.

Unterschiedliche Siedepunkte ermöglichen die Trennung

Die Forscher nutzen dabei einen physikalischen Unterschied. Lithiumfluorid verdampft bei etwa 1.676 Grad Celsius. Magnesium- und Calciumfluorid benötigen deutlich höhere Temperaturen.

Das Material wird deshalb erneut erhitzt. Bei Temperaturen zwischen rund 1.676 und 2.260 Grad Celsius verdampft Lithiumfluorid, während andere Fluoride fest bleiben. Der Lithiumdampf wird anschließend aufgefangen und kondensiert.

So entsteht ein Lithiumprodukt mit hoher Reinheit. Laut Studie erreicht das Verfahren etwa 99 Prozent Reinheit. Die Ausbeute liegt bei rund 82 Prozent des verfügbaren Lithiums.

Lithiumgewinnung dauert Minuten statt Monate

Die klassische Gewinnung aus Salzseen funktioniert deutlich langsamer. In großen Verdunstungsbecken konzentriert sich Lithium durch natürliche Verdunstung. Dieser Prozess kann viele Monate dauern.

Die neue Methode arbeitet erheblich schneller. Die entscheidenden Schritte laufen innerhalb von Minuten ab. Gleichzeitig benötigt das Verfahren deutlich weniger Wasser als die traditionellen Verdunstungsanlagen.

Eine Analyse der gesamten Prozesskette zeigt weitere Vorteile: Energiebedarf, Kosten und Treibhausgasemissionen liegen laut Studie unter den Werten gängiger Sole-Extraktionsverfahren.

Die Forscher prüften das Lithiumfluorid anschließend in Lithium-Ionen-Batterien. Dort wird der Stoff als Zusatz im Elektrolyt eingesetzt. Der Elektrolyt ist die Flüssigkeit, die den Ladungstransport zwischen den Elektroden ermöglicht.

Die Tests zeigen eine stabile Leistung. Die Elektrolyte mit dem gewonnenen Lithiumfluorid verbesserten laut Studie die Stabilität und Leistungsfähigkeit der Batterien. Damit erfüllt das Material zentrale Anforderungen der Batterietechnik.

Zwei Umweltprobleme werden gleichzeitig kleiner

Die Studie beschreibt einen ungewöhnlichen Kreislauf. Ein Abfallprodukt aus der Wasserreinigung wird zum Ausgangspunkt für die Gewinnung eines wichtigen Batterierohstoffs.

James Tour, Chemiker an der Rice University, fasst das Prinzip so zusammen: „Indem wir Abfall als potenziell nützlichen Stoff betrachten, konnten wir PFAS in ein wertvolles Metall umwandeln, das etwa in Batterien eingesetzt wird.“

Kurz zusammengefasst:

• PFAS aus Wasserfiltern können als Rohstoff dienen: In einer Studie der Rice University wird Fluor aus PFAS freigesetzt und mit Lithium aus salzhaltiger Sole zu Lithiumfluorid verbunden.
• Das Verfahren arbeitet schnell und effizient: Kurze Hitzeimpulse über 1.000 °C lösen die Reaktion aus; anschließend wird Lithiumfluorid durch Erhitzen getrennt. Ergebnis: etwa 99 Prozent Reinheit und rund 82 Prozent Ausbeute.
• Zwei Umweltprobleme werden gleichzeitig adressiert: PFAS-belastetes Filtermaterial erhält eine neue Nutzung, während Lithium deutlich schneller und mit weniger Wasser aus Sole gewonnen werden kann.

Übrigens: Dieselben PFAS, die Forscher nun nutzen, um Lithium für Batterien zu gewinnen, stehen zugleich im Verdacht, die biologische Alterung zu beschleunigen. Eine Studie sieht bei Männern ab 50 einen Zusammenhang zwischen bestimmten Ewigkeitschemikalien und messbaren Veränderungen an der DNA – mehr dazu in unserem Artikel.

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