van vele jaren geleden, lees ik een kort artikel over de nieuwe warmte: lithiumbatterijen. De auteur opende met wat hij ongetwijfeld dacht dat een slimme popcultuurreferentie was door te zeggen dat de melding van lithium zou “zorgen maken in de harten van Klingons.” Het was een zwakke verwijzing naar de fictieve “Dilithium-kristallen” van Star Trek Fame, en zelfs toen vond ik het een beetje kaasachtig, maar ik denk dat hij met iets moest leiden.
Tientallen jaren later maakt een dieper begrip van de lore duidelijk dat de enige zorg van een Klingon de dood is met oneer, maar er is een soort hier op aarde die in angst van lithium leeft: CEO’s van zorgen voor elektrische auto-productie. Voor hen is het niet de aanwezigheid van lithium die angst aanhoudt, maar de relatieve afwezigheid ervan; Hoewel het de 25e veel overvloedige element in de aardkorst is, worden en gigatonen opgelost in de oceanen van de wereld, lithium is zeer reactief en heeft dus de neiging om diffuus te zijn, waardoor het uitdagend is om geconcentreerd te worden in de hoeveelheden die hun bedrijven afhankelijk zijn.
Aangezien de elektrische auto en hernieuwbare energiemarkten blijven groeien, groeien de behoefte aan lithium om batterijen mee te maken, potentieel tot het punt waar de vraag de productiecapaciteit van de mijnindustrie overtreft. Om te begrijpen hoe die onbalans mogelijk is, zullen we een kijkje nemen naar hoe lithium momenteel wordt gedolven, evenals enkele nieuwe mijntechnieken analyseren die de komende lithiumkloof kunnen helpen vullen.
Een rotsachtige start
Hoewel lithium bekend is en goed wordt gekenmerkt door chemici omdat het begin van de 18e eeuw alleen in het midden van de vorige eeuw was, werd commercieel gebruik voor lithiumverbindingen geïdentificeerd. De vraag van de vliegtuigindustrie voor stabiele smeermiddelen resulteerde in de ontwikkeling van vetten gemaakt van lithiumzepen, en de behoefte aan krachtige maar lichtgewicht metalen leidde de aluminium-industrie om lithium te gebruiken om het smeltproces van Hall-Héroult te verbeteren. Rond dezelfde tijd ontdekten artsen dat lithiumzouten cliënten met bipolaire stoornis kunnen behandelen.
Een groot kristal van spodumeen (lithium aluminium inosilicaat, lial (SiO3) 2) gevonden in Massachusetts. Bron: door Rob Lavinsky, Irocks.com – CC-by-SA-3.0
Zelfs met de extra vraag van de nugente nucleaire industrie, die in de jaren 40, kan vrijwel alle benodigde lithium worden geleverd door kleine hard-rotswinningsactiviteiten die deposito’s van rotsen exploiteerden, waaronder grote kristallen van lithiummineralen, zoals spodumeen, petaliet en lepidoliet . Deze drie mineralen blijven tot op de dag van vandaag in hoge vraag naar de productie van lithiumhydroxide, een van de twee belangrijkste lithiumverbindingen die door de industrie worden gebruikt.
De productie van lithium van harde rotsmijnen heeft veel gemeen met andere mijnbouw- en raffinagemethoden die we in deze serie hebben besproken. Ore-lagerse rotsen worden uit open-pitmijnen gestraald, opgeschrikt door enorme laders, en getransporteerd naar een raffinageplant. Daar wordt de rots verlaagd door een reeks brekers en molens totdat het een fijn poeder wordt. Water wordt aan het poeder toegevoegd om een suspensie te creëren die bekend staat als pulp, die ook oppervlakteactieve stoffen en dispergeermiddelen omvat die de lithiumbevattende mineralen hydrofoob maken. In een ondiepe tank met lucht die door de bodem wordt gepompt, vormt het lichtlithium een schuim die naar de bovenkant drijft terwijl de zwaardere rotsdeeltjes wastafel.
Nadat het lithiumschuim wordt afgeroomd van de flotatietank, wordt de extra vloeistof afgefiltreerd om een geconcentreerd maar onzuiver lithiumpoeder te creëren dat moet worden verfijnd. Het raffinageproces hangt veel af van de bronmineralen en het gewenste eindproduct, maar voor geconcentreerde spodumeenerts wordt lithium typisch uitgeloogd met behulp van een combinatie van zwavelzuur en natriumhydroxide. Hoewel dit een directe route met hoge opbrengsten is, kunnen de betrokken zuren en basen het milieuproblemen maken. Andere zuurvrije uitlogprocessen zijn ontwikkeld als gevolg hiervan, dat wordt gezegd dat het soort proces is dat TESLA gebruikt in hun nieuwe lithiumhydroxideplant die wordt gebouwd naast hun Texas-gigafactory.
In de pekelmijn
Zoals eerder besproken, omvat zeewater iets als 230 miljard ton lithium, primair opgelost als lithiumzouten. Hoewel dit het grootste deel van het lithium op de planeet vormt, is het veel te diffuus – slechts 25 micromolair – om te dienen als een levensvatbare commerciële bron zonder grote uitgaven van energie om het te extraheren en te concentreren. Maar zeewater is niet de enige pekel die lithium bevat en het extraheren van het belangrijke metaal uit ondergrondse brakjes is de belangrijkste productiemethode geworden, omdat de jaren negentig.
Verreweg de meest significante lithiumhoudende branden worden gevonden in de “lithiumdriehoek” van Zuid-Amerika. Het gebied bezetten van delen van Chili, Bolivia en Argentinië, het gebied is de thuisbasis van grote zoutvlakten of salars, gebieden waar oude meren of vijvers verdampt, die achterzouten en andere geprecipiteerde mineralen achterlaten. Deze zoutapparaten zijn over miljoenen jaren opgebouwd, waardoor rijke lagen van mineralen onder T liggenopvolger oppervlakken. en zoals we zullen zien, het vlakke terrein en ernstige droge omstandigheden op het oppervlak ook een rol in de mijnbouw proces.
Pekel vijvers op de Salar de Atacama in Chili, gezien vanuit de ruimte. Voor grootschalige, elk van de lange, magere vijvers in het midden bijna een kilometer. Bron: NASA Earth Observatory, door Lauren Dauphin
Mijnbouw lithium pekel is heel anders dan een van de andere methoden van mijnbouw, hebben we al eerder behandeld, en kan niet eenvoudiger. in plaats van graven rotsen en nauwgezet isoleren van het materiaal van belang, zoutoplossing winning bestaat uit het injecteren van water naar beneden in zoutlagen door diepe boorgaten. Het water lost het zoutlagen, waardoor een rijke pekel die naar de oppervlakte kan worden gepompt. De zoutoplossing wordt gepompt in ondiepe vijvers en in de zon verdampt.
Toen veel van het water in een vijver verdampt – tot twee jaar later – de inmiddels geconcentreerde zoutoplossing wordt geoogst. Het concentraat bevat verschillende elementen naast lithium, sodium, magnesium, fosfaten en boor. Het concentraat kan ook nog worden verwerkt ter plaatse, of steeds vaker, verzonden via pijpleidingen naar poorten voor transport naar lithium verwerkingsinstallaties buitenland.
Op het eerste gezicht, de verdampingswerkwijze lithium pekel mining lijkt een winnaar. Het is heel simpel, het is vrijwel uitsluitend aangedreven door de zon, en het is verstoken van een aantal van de effecten die een grote open-pit mining werking kan hebben. maar er zijn nog grote problemen met verdamping concentratie. Ten eerste, het vereist grote hoeveelheden water om de pekel in de eerste plaats te maken, en omdat de verdamping vijvers zijn alleen nuttig op plaatsen waar het niet veel regen, water is al schaars. Het water gebruikt voor grond mining is ook verloren naar de atmosfeer, terug naar de oppervlakte ergens ver van de verdampingsvijvers. Plus, de verdampingsvijvers bezetten ongelooflijk grote hoeveelheden land – enkele vijver complexen bestrijken een gebied ter grootte van Manhattan – waardoor het een uitdaging om op te schalen operaties. en de hoeveelheid tijd die het kost de zon om zijn werk te doen is een probleem in termen van productie flexibiliteit.
Een betere manier
Om de pekel mining maakt tijdens verzachtende zijn tekortkomingen, worden rechtstreeks lithiumwinning methoden steeds populairder. In DLE wordt zoutoplossing gepompt uit onderaardse, maar in plaats van het concentreren van de pekel door geopend indampen lithium uit de pekel via een aantal chemische en fysische werkwijzen verwijderd. Eén werkwijze is ionenuitwisseling adsorptie, waarbij de zoutoplossing wordt gemengd met een absorberend materiaal dat preferentieel bindt lithiumverbindingen via andere verbindingen in de pekel. Eén klasse van sorbentia gebruikt DLE zogenaamde gelaagde dubbele hydroxiden (LDH), materialen met een gelaagde structuur die lithiumchloride aggregaat in de pekel passing tussen de lagen met uitsluiting kalium, magnesium, en andere zouten. De zoutoplossing wordt teruggekeerd naar de grond, terwijl de hoge zuiverheid lithiumchloride afgewassen het sorptiemiddel.
Andere werkwijzen omvatten DLE membraan-scheidingstechnieken zoals omgekeerde osmose, waarbij de pekel met hoge druk door membranen gepompt met poriën die de lithiumzouten hebben of door oplosmiddelextractie, waarbij organische oplosmiddelen worden gebruikt om de lithium extraheren. De rode draad met DLE werkwijzen, is echter het feit dat ze gesloten lus processen – water waarmee de pekel te maken wordt teruggevoerd naar de ondergrondse formaties zoals lithium. DLE planten nemen ook een fractie van de fysieke ruimte die zelfs een enkele verdamping vijver zou nemen, en ze zijn niet afhankelijk van extreme omgevingen, zoals salars aan het werk.
Beste van twee werelden
Zo aantrekkelijk als DLE-technologie is, op de schaal die nodig is commercieel levensvatbaar te zijn, DLE planten hebben nog steeds een behoorlijke hoeveelheid energie om te draaien. maar op sommige plaatsen, een gril van geologie voldoende lithium afzettingen nabij een bron van overvloedige hernieuwbare energie. In het Imperial Valley van Californië ligt de Salton Sea, een binnenmeer zoutmeer dat ligt boven op een reeks van actieve geologische storingen, met inbegrip van het bekende San Andreas breuklijn. Het gebied is ideaal voor geothermische elektrische energie productie, met elf planten produceert momenteel 2.250 MW. sommige geothermische planten mede gelokaliseerd met DLE planten, die warm omhoog-, lithium-rijke zoutoplossingen die worden gezuiverd met de geothermische energie ter plaatse. Milieuvriendelijk gesproken, dergelijke planten zijn ongeveer net zo low-impact als lithium productie kan worden, met de geothermische DLE fabriek wordt gebouwd door de Australische onderneming gecontroleerd Thermal middelen naar verwachting 68.000 ton van batterij-lithium te produceren in 2027.
Met de vraag naar lithium set te stijgen, de mogelijkheid om wat we kunnen halen uit de beperkte bronnen hebben we beschikbaar via de laagste hoeveelheid energie mogelijk wordt steeds inderdaad een uitdaging. Geothermische DLE lijkt een goed begin, maar het aantal plaatsen in de wereld met zowel de juiste geochemie en de tektoniek om dergelijke activiteiten te ondersteunen is beperkt. Het’S gaat een slimme engineering nemen om de rest van het lithium te krijgen dat beschikbaar is, althans met de technologie en energiebronnen die we momenteel hebben.
[Banner Foto door Pablo Cozzaglio / AFP door Getty Images]