Scheikunde Lithium is belangrijk bij de omschakeling naar duurzame energie. Maar de winning ervan kost heel veel water. Een bedrijf in Groningen hoopt een oplossing te hebben voor dit probleem.
Pekelwater waaruit lithium gewonnen wordt bij een mijnbouwbedrijf in Chili.
Soms, als het zelfs voor Chileense begrippen extreem droog is, rijden er dieseltrucks door de woestijn om lithiumraffinaderijen van schoon water te voorzien. Een beter voorbeeld van waanzin is nauwelijks te verzinnen, zegt Jasper Zuidervaart, directeur en medeoprichter van de start-up Ioniqs in Groningen. Lithium wordt juist gewonnen vanwege de rol die het speelt bij de omschakeling naar duurzame energie.
Veruit het meeste van dit zogenoemde ‘witte goud’ wordt gebruikt voor accu’s van elektrische auto’s en grote batterijen, en het is een bekend bestanddeel van batterijen van laptops en mobieltjes. Ioniqs wil het grote waterverbruik bij de lithiumproductie verminderen, met een techniek die het afvalwater uit het raffinageproces zuivert en de lithiumopbrengst verhoogt.
Lithium is geen zeldzaam metaal maar geldt wel als kritieke grondstof, omdat het winnen ervan lastig is. „En het vergt zoveel water dat het de drinkwatervoorziening in de winningsgebieden in gevaar brengt”, zegt Zuidervaart, „terwijl schoon water daar vaak toch al schaars is.”
Voor het mijnen, voorbehandelen en produceren van één ton lithiumcarbonaat, de grondstof die uiteindelijk in batterijen wordt gebruikt, is ongeveer 50.000 liter zoet water nodig. Dat is grofweg gelijk aan het huishoudelijk watergebruik van één persoon in Nederland gedurende een jaar, en goed voor twintig tot dertig accu’s voor elektrische auto’s.
Daar komt bij dat de verwachte vraag naar lithium de komende vijf jaar ruimschoots zal verdubbelen, en de productie dus ook. Op dit moment komt de grondstof vooral uit Zuid-Amerika, Australië en China, maar ook Europa heeft lithiummijnen en plannen om deze grootschaliger te gaan ontwikkelen. Er zitten grote lithiumvoorraden in het gesteente in de ondergrond van Tsjechië en Servië, en in de ondergrond van Duitsland bevindt zich voldoende lithiumhoudend pekelwater voor ruim 40 miljoen ton aan lithiumcarbonaat. Of de winning in deze gebieden haalbaar en rendabel is, moet nog blijken.
Soms komt lithium uit mijnen, waar het met zuren uit het harde gesteente wordt geloogd. Meestal wint men het uit pekelwater uit al dan niet ondergrondse zoutwatermeren. De techniek van Ioniqs kan voor beide winningsmethoden worden gebruikt, maar is in eerste instantie ontwikkeld voor pekelwater. Hierin is het lithium in opgeloste vorm aanwezig. Door natriumcarbonaat (soda) aan het water toe te voegen, slaat lithiumcarbonaat neer dat in batterijen kan worden gebruikt, en blijft opgelost natrium achter. Tijdens dit proces daalt de lithiumconcentratie in het water en neemt de natriumconcentratie toe, tot het water niet meer bruikbaar is en uiteindelijk als afvalstroom in het milieu belandt.
Eenvoudige opstelling voor het winnen van lithium uit pekelwater. Bij dit proces blijft nog een behoorlijke hoeveelheid lithium in het afvalwater achter.
Uit het afvalwater wordt zoveel mogelijk natrium gehaald. Daarna kan het nog eens door het systeem om zoveel mogelijk resterend lithium te winnen.
„Om lithium toe te passen in batterijen, moet het extreem zuiver zijn”, zegt Zuidervaart. Als de zuiverheidsgraad lager is dan 99,5 procent, kan de accu niet meer optimaal presteren. Te veel natrium maakt de batterij minder efficiënt en brandgevaarlijk.
Ioniqs verwijdert het natrium daarom uit het afvalwater van het productieproces. Het overgebleven, lithiumhoudende water wordt dan opnieuw een bruikbare bron. „Het afvalwater bevat een mengsel van ionen: deeltjes met een massa en een lading”, vertelt technisch directeur Anthony Curil Arulrajan, die in 2022 bij Wageningen University & Research promoveerde op een methode om waardevolle ionen uit water te ‘oogsten’. Die methode gebruikt Ioniqs nu voor ongewenste exemplaren. „We halen de ionen weg die het mengsel onbruikbaar maken.”
Dat gebeurt door het water eerst door een membraan te persen, een geavanceerde zeef die alleen specifieke deeltjes doorlaat, en daarna met een elektrode in de vorm van een minuscule kooi de doorgelaten deeltjes op grond van elektrische lading en vorm van elkaar te scheiden. De natriumionen worden verwijderd, de lithiumionen blijven achter en kunnen opnieuw worden geoogst. De lithiumopbrengst wordt hiermee 7 tot 8 procent hoger, het waterverbruik bijna gehalveerd. Voor de meeste andere scheidingsmethoden lijken natrium en lithium te veel op elkaar.
Water zuiveren met membranen kost veel energie. „Maar onze methode is zeer efficiënt”, zegt Arulrajan, „omdat wij niet het lithium uit het mengsel vissen maar het natrium. Daarvan bevat het water veel minder.” Het aandeel natrium in de ionenmix is 8 procent of (veel) lager, het aandeel lithium 92 procent of meer – de meeste andere afvalstoffen zijn al tijdens de voorbehandeling verwijderd. Arulrajan: „En omdat de methode op stroom werkt, kunnen we duurzame energiebronnen inzetten, zoals zon of wind.”
Zout grondwater wordt in Chili door slangen geleid naar poelen waar uiteindelijk lithium uit het water gewonnen wordt.
Er zijn wereldwijd meer initiatieven gaande om het waterverbruik bij lithiumwinning te verkleinen. Zo experimenteren wetenschappers al enkele jaren met elektrodialyse, waarbij het lithium zélf met een spanningsveld en een membraan uit het pekelwater wordt gewonnen, en kwam een groep Australische onderzoekers deze zomer in het vakblad Environmental Science & Technology met het idee om het lithium niet te laten neerslaan in het zoutwatermengsel, maar dit mengsel eerst te laten indrogen om het lithium er daarna met specifieke oplosmiddelen uit te isoleren.
Nog doelmatiger is het om batterijen die niet meer efficiënt genoeg zijn voor elektrische auto’s een tweede leven te geven als thuisbatterij, of het lithium eruit terug te winnen. Dat beperkt de vraag naar verse grondstoffen, en heeft als extra voordeel dat het Europa minder afhankelijk maakt van landen met een grote lithiumvoorraad. In Nederland gebeurt dit bijvoorbeeld sinds twee jaar bij recyclingsbedrijf SK Tes in Rotterdam, dat afgedankte hoogspanningsbatterijen uit elektrische BMW’s uit elkaar haalt, waarna het lithium elders kan worden teruggewonnen.
In Groningen werken de mensen van Ioniqs intussen gestaag door. Hun laboratorium bevindt zich in een kleine zeecontainer, op een enigszins afgelegen gedeelte van de Zernikecampus van de Hanze Hogeschool en de Rijksuniversiteit Groningen. Ioniqs en de universiteit werken nauw samen. „Eerst was dit ons hoofdkantoor”, vertelt Zuidervaart. Dat zit inmiddels in een veel ruimer en luxer pand, namelijk een dubbele zeecontainer voorzien van ramen, op hetzelfde terrein.
Het uiteindelijke product van Ioniqs moet hetzelfde formaat krijgen als dit nieuwe hoofdkantoor. „We gaan kant en klare plug and play containers leveren, waar de zuiveringsinstallatie in zit”, zegt Zuidervaart. Deze zijn makkelijk te transporteren en kunnen na aflevering meteen worden aangesloten. Het afvalwater gaat er via een buis in en komt er als herbruikbaar bronwater weer uit. Zuidervaart: „In het raffinageproces hoeft dan verder niks te veranderen.” Ioniqs vraagt klanten minimaal 15 procent van de waarde die de extra lithiumopbrengst dankzij de containers oplevert.
„Het klinkt als een goed idee met een plausibele business case”, zegt Benjamin Sprecher, industrieel ontwerper bij de TU Delft en gespecialiseerd in circulariteit en kritieke grondstoffen. „Alleen is het probleem met membranen dat de opbrengst in de praktijk vaak tegenvalt, zelfs als ze in het laboratorium supergoed werken. Dat komt doordat afvalwater in de echte wereld vaak toch te variabel blijkt.” Of dat bij deze specifieke toepassing ook kan gebeuren, kan Sprecher niet inschatten. „Daarvoor zou je het op locatie moeten testen.”
Dat is dan ook precies wat Ioniqs gaat doen. In het laboratorium is het al gelukt om de zuiverheid van lithium in afvalwater op te schroeven van zo’n 97 procent naar 99,5 procent, het vereiste om het voor batterijen te kunnen gebruiken, vertelt Arulrajan. In september en oktober draait het eerste pilotproject, bij een lithiummijn in Chili. Het mini-laboratorium dat daar naartoe gaat, knalroze en met het formaat van een grote koelkast, staat al klaar.
„Deze pink panther kan twee liter water per uur bewerken”, zegt Arulrajan. Volgend jaar volgt een zuiveringsinstallatie in een kleine zeecontainer, die duizend liter water per uur behandelt. Arulrajan: „En als daarmee de eventuele problemen zijn opgelost, gaan we voor het echte werk: een grote container met een installatie die tienduizend liter per uur aankan.” Wat voor soort complicaties ze verwachten, kunnen de onderzoekers niet zeggen. „We testen juist om problemen te identificeren waar we nu nog niet aan denken.” Indien nodig kan de techniek worden geoptimaliseerd voor andere ionen dan natrium, bijvoorbeeld door finetuning van het voltage of materialen van de membranen en elektroden.
Het meeste onderzoek dat Ioniqs tot nu toe heeft gedaan, is bekostigd uit subsidies van het Groningse Proof-of-Conceptfonds Future Tech Ventures en NEW ttt (Netherlands Enabling Water Technology), een consortium bestaand uit Wetsus, Deltares, de Rijksuniversiteit Groningen en de NOM (de Investerings- en Ontwikkelingsmaatschappij voor Noord Nederland). Voor de opschaling naar commerciële containers is twee tot vijf miljoen euro nodig. Het eerste jaar waarin winst wordt verwacht, is 2029.
Poelen met pekelwater bij een lithiummijn in de Chileense Atacama woestijn.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin