Jahrzehntelang basierte die kommerzielle Lithiumproduktion auf Erzquellen wie Spodumen, Petalit und Lepidolit. Das Extrahieren von Lithium aus solchen Quellen ist jedoch wesentlich teurer als das Extrahieren des Metalls aus Lithium enthaltenden Solen. Tatsächlich werden die Kosten für die Gewinnung von Lithium aus Hartgestein auf das Doppelte der Produktion von Sole geschätzt, was erklärt, warum die meisten dieser Quellen seit den frühen 2000er Jahren vom Markt verdrängt wurden.
Saline Solen können als unterirdische Reservoirs beschrieben werden, die hohe Konzentrationen von gelösten Salzen, wie Lithium, Kalium und Natrium enthalten. Diese finden sich im Allgemeinen unter der Oberfläche von getrockneten Seegrundböden, den so genannten Salären.
Lithium wird aus Sole, Spodumen und Ton verarbeitet.
Verarbeitung von Sole
Um Lithium aus Solen zu extrahieren, müssen die salzreichen Gewässer zunächst in eine Reihe von Verdunstungsteichen gepumpt werden, wo die Verdunstung über mehrere Monate stattfindet. Da Saline in großer Höhe und in Gebieten mit wenig Niederschlag natürlich vorkommen, ist die solare Verdunstung eine ideale und kosteneffektive Methode zur Ausfällung von Salzen.
Kalium wird oft zuerst aus frühen Teichen geerntet, während spätere Teiche zunehmend hohe Konzentrationen von Lithium aufweisen. Wirtschaftliche Lithiumquellen enthalten normalerweise irgendwo von einigen hundert Teilen pro Million Lithium bis über 7.000 ppm.
Wenn das Lithiumchlorid in den Verdampfungsteichen eine optimale Konzentration erreicht, wird die Lösung zu einer Rückgewinnungsanlage gepumpt, wo Extraktion und Filterung unerwünschtes Bor oder Magnesium entfernen. Es wird dann mit Natriumcarbonat (Sodaasche) behandelt, wodurch Lithiumcarbonat ausgefällt wird. Das Lithiumcarbonat wird filtriert, getrocknet und zur Abgabe bereit.
Überschüssige Restsolen werden zurück in den Salar gepumpt.
Lithiumcarbonat ist ein stabiles weißes Pulver, das im Lithiummarkt eine Schlüsselrolle spielt, da es in spezielle industrielle Salze und Chemikalien umgewandelt oder zu Lithiummetall verarbeitet werden kann.
Verarbeitung von Spodumen
Im Gegensatz zu Salar-Solequellen erfordert die Extraktion von Lithium aus Spodumen und anderen Mineralien eine breite Palette von hydrometallurgischen Prozessen.
Galaxy Resources, die beispielsweise in Australien abgebautes Spodumen abbauen, zerkleinert und erhitzt das Erz zuerst in einem Rotationsofen, um die Lithiumkristallphase von Alpha in Beta umzuwandeln (ein Prozess, der als Dekrepitation bezeichnet wird ). Dadurch kann das im Erz vorhandene Lithium durch Natrium verdrängt werden. Das erhaltene Spodumen-Konzentrat wird abgekühlt und zu einem feinen Pulver vermahlen, bevor es mit Sulfat-Säure gemischt und erneut geröstet wird. Ein Eindicker-Filtersystem trennt dann den Abfall von der konzentrierten Lauge, während die Fällung Magnesium und Kalzium aus dieser Lösung entfernt.
Schließlich wird Soda zugegeben und Lithiumcarbonat wird kristallisiert, erhitzt, filtriert und als 99 Prozent reines Lithiumcarbonat getrocknet.
Verarbeitung aus Ton
Eine Vielzahl von Ansätzen ist möglich, um Lithium aus Tonen zu extrahieren.
Die Wahl des zu befolgenden Ansatzes hängt von der Art des in Betracht gezogenen spezifischen Rohstoffs ab. Obwohl viele Lithium-Extraktionsverfahren verwendet worden sind, wurden die meisten der gegenwärtigen Verfahren für Pegmatit-Rohmaterialien entwickelt und sind möglicherweise nicht vollständig wirksam zur Extraktion von Lithium aus Ton-Zufuhrmaterial. Bureau of Mines Studien haben Kalk-Gips-Braten und Chlorid-Braten für die Lithium-Extraktion von Spodumen und Amblygonit untersucht.
Zu den Techniken, die zur Gewinnung von Lithium aus Tonen untersucht werden, gehören die Desaggregation von Wasser, Hydrothermalbehandlung, Säurelaugung, Säurebackwasserauslaugung, alkalische Röstwasserauslaugung, Sulfatröstwasserauslaugung, Chloridröstwasserauslaugung und Mehrfachreagensröstwasserauslaugung . Trotz der Tests hat sich der Ton jedoch noch nicht als kostengünstig erwiesen und wird nicht kommerziell durchgeführt.
Am Ende ist die Gewinnung von Lithium aus Sole billig, aber langsam, Spodumen ist teuer, aber schnell, und Ton ist kommerziell noch nicht im großen Maßstab erprobt. Es werden disruptive neue Lithium-Extraktionstechnologien untersucht (einschließlich Auswaschung, Lösungsmittelextraktion, geothermische Extraktion und Elektrolyse), aber die Ergebnisse sind für eine kommerzielle Verwendung zu unschlüssig.
Aus Lithium wird Metall
Die Umwandlung von Lithium in Metall erfolgt in einer Elektrolysezelle mit Lithiumchlorid.
Das Chlorid wird mit Kaliumchlorid in einem Verhältnis von 55 Prozent Lithiumchlorid zu 45 Prozent Kaliumchlorid gemischt, um einen geschmolzenen eutektischen Elektrolyten zu erzeugen. Kaliumchlorid wird hinzugefügt, um die Leitfähigkeit des Lithiums zu erhöhen, während die Schmelztemperatur gesenkt wird.
Beim Schmelzen und Elektrolysieren bei etwa 450ºC wird Chlorgas freigesetzt, während geschmolzenes Lithium an die Oberfläche des Elektrolyten aufsteigt und sich in Gußeisengehäusen sammelt. Das reine Lithium wird in Paraffin gewickelt, um eine Oxidation zu verhindern. Das Umwandlungsverhältnis von Lithiumcarbonat zu Lithiummetall beträgt etwa 5,3 zu 1.
Globale Lithiumproduktion
Obwohl Chile und Australien die größten Lithiumquellen der Welt sind, sind die USA, Argentinien und China auch wichtige Produzenten. Der Markt für Lithium wird stark von vier Unternehmen dominiert: Sociedad Química y Minera de Chile (Chile), Talison (Australien), Chemetall (Deutschland) und FMC (US). Lithiumcarbonat wird in der Regel über drei- bis fünfjährige Verträge von Bergleuten an Raffinerien verkauft, einschließlich der oben genannten, die nachgelagerte Chemikalien und Lithiummetall herstellen und vermarkten.
Im Jahr 2017 belief sich die (gerundete) weltweite Lithiumproduktion (ohne US-Produktion) auf 43 Tsd. Tonnen.