Samen met nikkel, mangaan en kobaltzouten wordt lithiumhydroxide monohydraat (LHM) gebruikt als kathodemateriaal in lithiumionbatterijen. De groeiende vraag naar deze batterijen, onder meer voor elektrische voertuigen en energie-opslag, stuwt ook de vraag naar LHM, maar door een tekort aan betaalbare lithiumbronnen en productiecapaciteit kan Europa niet aan die toenemende vraag voldoen. Flinke opschaling van de productie is daarom noodzakelijk.

Lithiumzouten komen van nature voor in rotsgesteente, aquifers (ondergrondse waterlagen) en vulkanische omgevingen. Ze kunnen met zwavelzuur uit gesteente worden gewonnen, waarbij dan lithiumsulfaat ontstaat. In het traditionele proces wordt dit vervolgens met soda en kalk omgezet in LHM. Dit proces heeft als nadelen dat er veel bijproducten ontstaan, zoals natriumsulfaat en calciumcarbonaat, en dat er veel water voor nodig is.

‘Dankzij onze kennis over de thermodynamica van het systeem kunnen we dit proces optimaal sturen en verfijnen’

Coert van Lare

Onder andere het Duitse Vulcan Energy werkt aan de ontwikkeling van de winning van lithiumchloride uit ondergrondse waterlagen, waarin het aanwezig is als lithiumhoudende pekel. Via elektrolyse is deze pekel om te zetten naar LHM. Zonder bijproducten, maar deze route kost relatief weer veel energie, vergeleken met de reguliere chloor-alkali elektrolyse van NaCl.

Om dat probleem het hoofd te bieden, ontwikkelde zoutproducent Nobian een nieuw proces voor de productie van LHM uit lithiumchloride. Herbij combineert Nobian elektrolyse van NaCl met de omzetting van lithiumchloride naar LHM. Naast het feit dat het proces twee keer minder energie verbruikt dan directe elektrolyse van lithiumchloride, is het een groot voordeel dat bestaande fabrieken en elektrolysers gebruikt kunnen worden, waardoor minder investeringen nodig zijn.

Thermodynamica

‘Nobian is van oudsher geen producent van grondstoffen voor lithium-batterijen, maar heeft wel de ambitie om in deze markt te groeien en een belangrijke schakel te worden in de Europese batterijwaardeketen’, vertelt Marco Waas, Chief Technology & Sustainability Officer van Nobian. ‘We hebben meer dan 100 jaar ervaring in zout- en elektrochemie, met bestaande productiefaciliteiten in Nederland en Duitsland. Daarom heeft Nobian alles in huis om deze duurzame batterijgrondstoffen efficiënt te produceren.’

‘Nobian heeft alles in huis om deze grondstoffen efficiënt te produceren’

Marco Waas

Lithiumchloride heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met natriumchloride, dat Nobian omzet in natronloog, waterstof en chloor door middel van elektrolyse. Analoog kan ook lithiumchloride op deze manier worden omgezet in lithiumhydroxide. Aan de hand van een processchema legt Coert van Lare, Director Innovation Program Renewable & Circular, de nieuwe opzet uit. ‘In het proces wordt chlooralkali-elektrolyse gecombineerd met kristallisatie van LHM. De basis van het proces is de huidige chlooralkali-elektrolyse van NaCl in water, waarbij chloor, NaOH en waterstof ontstaan. NaOH wordt gemengd met lithiumchloride, waarna LHM wordt gekristalliseerd door koeling. Het NaCl wordt vervolgens ook gekristalliseerd door water te verdampen waarna het de elektrolysefabriek in gaat om weer NaOH te maken. Een essentieel onderdeel van het proces is wanneer en waar we de natronloog en lithiumchloride bijmengen. Uit analyses van de fasediagrammen hebben we het gunstigste punt gevonden. Dankzij onze kennis over de thermodynamica van het systeem kunnen we dit proces optimaal sturen en verfijnen.’

Honderden kilo’s

Onlangs sloot Nobian een overeenkomst met Veolia om het proces met een demo-fabriek verder op te schalen tot honderden kilo’s LHM per jaar. Veolia heeft ruime ervaring met de bouw van installaties voor de productie van verschillende lithiumverbindingen en heeft kennis over het gedrag van LHM. Veolia testte het nieuwe proces van Nobian al op literschaal in de pilotinstallatie in het Amerikaanse Plainfield (Illinois).

De twee bedrijven werken nu aan verdere optimalisatie van de procescondities. Een belangrijke uitdaging is het scheiden van de zouten, legt Van Lare uit. ‘De samenstelling van de lithiumhoudende pekel is afhankelijk van de bron. De kwaliteit van de pekel beïnvloedt het proces. We onderzoeken wat de invloed is van de percentages en type verontreinigingen op de elektrolyse en het kristallisatieproces. Om geschikt te zijn voor gebruik als batterijgrondstof moet LHM namelijk extreem zuiver zijn.’

Nobian wil bijdragen aan het opzetten van een Europese waardeketen voor lithium, met het oog op de groeiende Europese en wereldwijde vraag naar batterijmaterialen. Waas: ‘Het opzetten van een batterijwaardeketen is strategisch voor Europa. De vraag naar lithiumbatterijen stijgt en om voor kritieke grondstoffen niet afhankelijk te zijn van het buitenland, is het belangrijk om de productie ervan in Europa op te schalen.’ Daarvoor zijn investeringen in de hele keten nodig. Het bedrijf is in gesprek met leveranciers, in Europa en daarbuiten, voor de aanvoer van lithiumchloride.

Daarnaast loopt de zoektocht naar investeerders en potentiële licentiehouders om de productiecapaciteit verder op te schalen. Nobian denkt tegen het eind van dit decennium een commerciële installatie voor de productie van LHM te kunnen realiseren. Waas: ‘Dat is best snel als je bedenkt dat we vijf tot zes jaar geleden zijn begonnen met onderzoek naar de mogelijkheid om batterijmaterialen te produceren en pas sinds een jaar of drie werken aan LHM-productie.’