Lithium (Das Superelement dieses jahrhunderts)

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Lithium (in Batterien)

Lithium, das leichteste und eines der reaktionsfreudigsten Metalle mit dem grössten elektrochemischen Potenzial (E0 = -3,05 V), liefert in Batterien eine sehr hohe Energie- und Leistungsdichte. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (mit einer negativen Interkalationselektrode wie Graphit) haben die Märkte für tragbare Unterhaltungselektronik und seit Kurzem auch für Elektrofahrzeuge erobert. 

Lithiumsalze (in Batterien)

Der Elektrolyt basiert in der Regel auf einem Lithiumsalz in organischer Lösung. Dünnschichtbatterien verwenden feste Oxid- oder Polymer-Elektrolyte. Da Lithiummetall heftig mit Wasser reagiert und sich daher entzünden kann, verwenden moderne Lithium-Ionen-Batterien negative Elektroden aus Kohlenstoff und positive Elektroden aus Lithiummetalloxid. 

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sollten nicht mit nicht wiederaufladbaren Lithium-Primärbatterien (mit metallischem Lithium) verwechselt werden.

Lithium-in-Batterien

Lithium ist das wichtigste Element in Lithium-Ionen Batterien

Die Lithium-Ionen Batterie ist dazu aus industrieller Sicht bis 2035 als Technologie dominierend, besonders, weil die Umweltbilanz mit LIB-betriebenen PKWs am besten ist. Eine Ladeplanung unter Berücksichtigung der anstehenden Fahrten, der verfügbaren Ladeinfrastruktur und der Verfügbarkeit von Strom aus erneuerbaren Energien ist dabei wichtig.

Der Rohstoff Lithium wird alle die Entwicklungen in der Elektromobilität, Mobilität 4.0 und in der elektrifizierten Luftfahrt begleiten und es ist daher interessant Lithium als Rohstoff etwas genauer zu verstehen.

Lithiummetall (Eigenschaften)

 

Lithium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Li. Lithium ist ein Leichtmetall und besitzt die geringste Dichte der unter Standardbedingungen (25°C, Normaldruck) festen Elemente.

Lithium kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor. In feuchter Luft bildet sich an der Oberfläche schnell eine mattgraue Lithiumhydroxid-Schicht. 

Wie alle Alkalimetalle reagiert elementares Lithium schon in Berührung mit der Hautfeuchtigkeit und führt so zu schweren Verätzungen und Verbrennungen.

Infobox Lithium (in Batterien)

1) Die Lithium-Primärzelle (Li-MnO2)

Hier wird die  «Lithium-Primärzelle» genau erklärt. Primärzellen sind also die Lithium «Einweg» Batterien.

Es ist von  staatlichen Stellen geplant das solche «Wegwerf»- Batterien mit Lithium in Zukunft verboten werden, das diese eine schlechten Verauch-Nutzen-Fussabruck haben.

Die Lithium-Sekundärzellzellen

Batterien mit Lithium, die mehrmals aufgeladen werden können (zwischen 300- und 10000-mal!). Es gibt dabei zwei grundsätzlich unterschiedliche Technologien:

2) Die Lithium-Ionen Batterie

Lithium-Ionen werden in der Batterie beim Laden und Entladen lokal verschoben. Die Lithium-Ionen bleiben aber immer Lithium Ionen.

3) Die Lithium-Metall-Batterien

Lithium-Ionen werden in der Batterie beim Laden und Entladen lokal verschoben. Lithium-Metall wandelt sich zu Lithium Ionen und die Lithium-Ionen wandeln sich wieder zu Lithium-Metall um.

Die Lithium-Ionen zu Lithium-Metall-Umwandlung is technologisch ungemein schwieriger umzusetzen. Daher sind wiederaufladbare Lithium-Metall Batterien zum grossen Teil auch noch in der Entwicklung.

4) Ausnahme: Lithium-Polymer-Batterie (LiPo)

3) Dendrite formation at the lithium metal anode

If lithium metal is used as an anode, dendrites are formed rapidly. Dendrites are shorting the battery cell. Therefore, dendrite grow has to be mitigated to build a useful Lithium-sulfur battery cell.

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Aktuelle Fachartikel

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Moderne Abfallwirtschaft

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Lithium (Vorkommen auf der Erde)

Lithium hat an der Erdkruste einen Anteil von circa 0,006 %. Es kommt damit etwas seltener als Zink sowie häufiger als Kobalt, Zinn und Blei in der Erdkruste vor. Obwohl Lithium häufiger als unter anderem Blei ist, ist seine Gewinnung durch die stärkere Verteilung schwieriger.

Die grössten Lithium-Ressourcen sind in Bolivien, Argentinien, Chile, USA, Australien und China. In Europa haben Deutschland und Tschechien die grössten Vorkommen. Grössere Mengen Lithium werden mittlerweile für aufladbare Batterien (elektrische Fahrzeuge, electric vehicles EV), primäre Batterien, für die Polymerisation von Elastomeren, in der Bauindustrie und für die organische Synthese von Pharmazeutika und Agrochemikalien eingesetzt. Seit 2007 sind Primärbatterien und aufladbare Sekundärbatterien, dass wichtigsten Anwendungen in der Lithium-Salze und Lithium-Metall gebraucht werden.

Recycling Lithium-Ionen Batterie Rohstoffe Saline
Lithium-Saline: Rohstoffe für Lithiummetall - Wikibattery.org

Produktion von Lithiumcarbonat und Lithiummetall​​

Lithium wird vorwiegend aus Salzwasser (Grundwasser, Salzseen) durch Verdunstung gewonnen. Aus lithiumhaltigen Salzlösungen wird durch Verdunsten des Wassers und Zugabe von Natriumcarbonat (Soda, (Na2CO3)) Lithiumcarbonat (Li2CO3) ausgefällt. Dazu wird die Salzlake zunächst so lange an der Luft eingeengt, bis die Lithiumkonzentration 0,5 % überschreitet. Durch Zugabe von Natriumcarbonat fällt daraus das schwerlösliche Lithiumcarbonat (Li2CO3) aus. Durch die weitere Umsetzung zu Lithiumchlorid (LiCl) mit Salzsäure (HCl) kann schliesslich durch Elektrolyse das Lithium-Metall gewonnen werden, dass in den Lithium-Batterien verwendet wird.

Qualität der Lithiumsalze ist wichtig​

Hochwertige Lithiumsalze kosten 2021 mit einem Minimalgehalt von 99,5 % zirka 10 USD/kg (im 2022 kostet ein Kg Li2CO3 schon mehr als 40 USD/kg).

Es gibt mittlerweile Aktien-Performance Indexfonds, der die Marktkapitalisierung der grössten börsenkotierten Unternehmen nachzeichnet, die an Erkundung und Bergbau von Lithium sowie der Produktion von Lithium-Batterien beteiligt sind. Wie andere Rohstoffe unterliegt, der Lithium Preis starken Schwankungen. Lithiumpreise steigen stetig an.

Wirtschaftliche Bedeutung und Rohstoffhandel

Lithium gelangt als Rohstoff über den Handel zu den weiterverarbeitenden Industrien. Im Rohstoffhandel, speziell an den Börsen für Metalle, wird kein reines Lithium gehandelt, das chemisch zu instabil wäre. Gehandelt werden stattdessen stabile Lithiumverbindungen, Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid-monohydrat.

Lithium-in-Batterien
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