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Eingrenzung von Lithium-Lagerstätten durch Multiparameteransätze

Lithium (Li) wird von der Europäischen Union seit 2023 mit dem Critical Raw Materials Act als strategisch kritischer Rohstoff eingestuft, was bedeutet, dass bis 2030 zu mindestens 10 % dieser Rohstoffe in der EU abgebaut und zu nicht mehr als 65 % abhängig von einem Drittland sein soll.

Dies stellt eine Herausforderung dar, da aufgrund der Energiewende und der stetig zunehmenden Technologisierung der Bedarf an Speicherlösungen mit höherer Energiedichte kontinuierlich ansteigt und zum anderen 33 % der Gesamtproduktion von Lithium durch chinesische Investoren kontrolliert werden. Dabei soll der Bedarf von Lithium als einer der Rohstoffe, der in Akkumulatoren Verwendung findet, sich bis 2035 verdreifachen. Es werden alleine 40.000 Tonnen dieses Rohstoffs benötigt, um das Ziel der Bundesregierung von sechs Millionen Elektrofahrzeugen bis 2030 zu erreichen, wie eine Studie des Bundesamts für Naturschutz von 2018 beziffert. Dies wird durch die zum 18. Februar 2024 eingetretene EU-Batterieverordnung, die sowohl Anforderungen zur nachhaltigen Gewinnung von u.a. Lithium und an das Recycling von Altbatterien stellt, unterstützt. Nichtsdestotrotz muss der größte Teil des Lithiumbedarfs nach wie vor durch Primärrohstoffe gedeckt werden. Dabei ist neben dem Bergbau in Australien die Förderung aus Salzsee-Solen in südamerikanischen Ländern am höchsten. Die Lithium-Extraktion aus Salzseen steht dabei vielfach in der Kritik, da vor allem durch den hohen Wasserbedarf soziale Konflikte und Umweltschäden entstehen.

Kalibration der Ionenchromatographiesäulen. Zu erkennen ist eine eindeutige Abtrennung des Störelement Natrium.

Im Hinblick auf das Critical Raw Materials Act, der EU-Batterieverordnung und des Lieferkettengesetzes, welches die unternehmerische Verantwortung für die Einhaltung von Menschenrechten innerhalb der Lieferkette beschreibt, wäre es ein großer Vorteil zu erkennen, aus welcher Lagerstättenart (sekundäre Lagerstätte wie Salzsee-Solen aus Lithium-Chlorid oder primäre Lagerstätten aus Lithium-Pegmatiten) das Lithium gewonnen wurde oder wenn man gar die Lagerstättenregion eingrenzen könnte. Lithium ist das leichteste Element, das bei Raumtemperatur einen festen Aggregatzustand aufweist. Es besitzt zwei Isotope (6Li (7.4 %) und 7Li (92.6 %)) mit einer Massendifferenz von über 10 %. Dies sorgt für eine sehr große sogenannte Isotopenfraktionierung des δ7Li von bis zu 60 ‰ in natürlichen Proben, die durch natürliche Prozesse wie Lösungs- und Fällungsreaktionen gesteuert werden. Gepaart mit möglicherweise charakteristischen Spurenelementmustern ist die Li-Isotopenanalyse der vielversprechendste Ansatz um unterschiedliche Lagerstätten zu charakterisieren und somit möglicherweise eine Aussage zumindest über die Lagerstättenart treffen zu können.

Li-Isotopenanalyse von Referenzmaterialien mit unterschiedlichen Lithiumisotopenverhältnissen.

Durch die intensive Forschung an der CEZA verfügen wir über eine große Erfahrung über die Entwicklung und Anwendung von solchen sogenannten Multiparameteransätzen. So konnten wir eine Lithium-Isotopenanalytik etablieren und verifizieren, deren Ionenchromatographie in der Lage ist, Lithium von sämtlichen störenden Begleitelementen, hauptsächlich Natrium, von Spodumen-Proben in unter drei Stunden abzutrennen. Somit stellt dies die bislang schnellste Trennmethode von Lithium dar (Abb. 1). An unserem HR-MC-ICP-MS (High Resolution Multi Collector – Induktiv gekoppeltem Plasma Massenspektrometer) konnten wir erste Messungen von sowohl Standards (Abb. 2), als auch von Spodumen-Proben (Abb. 3) mit einer großen Reproduzierbarkeit durchführen. Dabei konnten wir zeigen, dass Spodumen-Proben mitunter den selben δ7Li-Wert, aber auch deutliche Unterschiede von mindestens 8 ‰ aufweisen können. Dies verdeutlicht, dass die Li-Isotopenanalyse über Potenzial verfügt, um für die Lagerstättencharakterisierung verwendet zu werden.

Isotopenanalysen von drei Mineralseparaten, die das Lithiummineral Spodumen enthalten.