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lunes, 2. agosto 2021
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Lithium – ideal für E-Autos

Leicht, energiereich, aber auch heilend

An der Luft infolge Nitridbildung angelaufenes Lithiummetall, Foto: Von Rrausch1974 – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

Viel wird in diesen Tagen in Chile über Lithium (Litio) geschrieben und geredet, Skandale damit in Verbindung gebracht und manche glauben, den Stein der Weisen zur Rettung aller finanzieller Nöte in diesem chemischen Element finden zu können. Dazu muss man wissen, dass das Wort Lithium, aus dem Griechischen entlehnt, auch «Stein» bedeutet, aber das ist wirklich der einzige Zusammenhang. Denn ein richtiger «Stein» ist Lithium wirklich nicht.

Um das Jahr 1817 entdeckte der schwedische Wissenschaftler Johan August Arfwedson dieses Leichtmetall mit dem Elementsymbol Li. Da Lithium jedoch in der Natur nicht elementar vorkommt, scheiterten seine Versuche, es zu isolieren. Schon bei Raumtemperatur reagiert es nämlich sofort zu Lithiumnitrat. So dauerte es bis um das Jahr 1855, als es Robert Bunsen und Augustus Matthiesen gelang, über eine Elektrolyse reines Lithium zu gewinnen.

Wozu wird Lithium verwendet?

Zwar wusste man bald, dass Lithium wie alle anderen Alkalimetalle (Natrium, Kalium) zu Verätzungen und Verbrennungen der Haut führen, dass Mineralwasser und auch der menschliche Organismus Lithium enthalten, aber darüber hinaus blieben weitere Kenntnisse und Verwendungen im Unbekannten. Während des Zweiten Weltkrieges wurde Lithium in kleinen Mengen verwendet, so zum Beispiel bei der Herstellung von Schmierölen.

Zu einem Aufschwung kam es nach dem Krieg. Es begann in den Vereinigten Staaten, als man an die Entwicklung der Wasserstoffbombe ging und die amerikanische Armee Lithium für die Bildung einer elektrochemischen Großzelle benötigte. Beachtliche Mengen Lithium in unterschiedlichen Legierungen wurden dafür von der US-Regierung aufgekauft und eingelagert. 

Johan August Arfwedson, Entdecker des Lithiums

Es dauerte dann nicht mehr lange und man entdeckte seine Verwendung für Batterien, auch zur Polymerisation in der Bauindustrie und zur Synthese von Pharmazeutika und in der Agrochemie. Lithium-Legierungen wie zum Beispiel Aluminium-Lithium finden wir in der Außenbeschichtung von Flugzeugen, Fahrzeugen und anderen der Witterung ausgesetzten Oberflächen.

Aus der Vorgeschichte Chiles kennen wir sogar den Gebrauch lithiumhaltigen Gesteins – es wurde und wird noch unter den Namen Castorit oder Pegmatit im Magma von Vulkanen gefunden. Die Aymaras behandelten Depressionen, indem sie dem Kranken einen Stein auf den Kopf legten. Die moderne Pharmazie nahm sich dessen an durch Verwendung von Lithium-Salzen oder in der Lithium-Therapie gegen Migräne, Depressionen und Kopfschmerzen.

Unverzichtbar für Batterien

Die größten Anwendungsbiete hat Lithium in den letzten Jahren in der Herstellung von elektronischen Rechnern, in der Automobil-Industrie und im militärischen Bereich gefunden: als Bauelement von Stromspeichern, in der Technik als Batterien und Akkumulatoren bekannt. Hier müssen wir unterscheiden: In der Technik werden Batterien als Stromerzeuger ohne die Möglichkeit einer Wiederaufladung verwendet, die in Chile als «pilas» bezeichnet werden. Dagegen heißen wiederaufladbare Geräte Akkumulatoren (Akkus).

Im Prinzip sind alle Batterien von der Technik her gleich. Sie bestehen aus zwei Platten, die in einem Säurebad liegen, wobei eine Platte Kathode (+) positiv, die andere Anode (-) negativ geladen ist. Beim Ladevorgang fließen negative Elektronen von der Kathode zur Anode, beim Entladen wiederum schwimmen positiv geladene Ionen durch die sie umgebende Säure zur Kathode, während die negativen Elektroden zurück zur Kathode wollen und dieses durch einen Verbraucher tun (Motor, Lampe, Computer). In dieser Form kann ein Akku auf- und entladen werden.

Im Falle der Batterie, der «pila», ist dieses nicht möglich. Denn eine der beiden Platten wurde durch ein kleines Zinkgefäss und die andere durch einen Kohlestab ersetzt, dazu die Säure verdickt, die also nicht mehr flüssig ist. Diese Art einer Batterie kann nur Strom liefern, aber nicht wieder aufgeladen werden. Kleine Tricks wie Lagern an der Sonne oder Baden in einer Säure verlängern höchstens die Lebensdauer ein wenig, laden eine Batterie jedoch nicht auf.

Da die Aufladezeit, die Entladung und damit die Lebensdauer der traditionellen Batterien (zum Beispiel Auto- Akkumulatoren) sehr begrenzt ist, hat man sich nun ans Werk gemacht, bessere Rohstoffe dafür zu gewinnen und zu erproben. Die Versuche gehen auf Experimente der Technischen Hochschule München aus dem Jahr 1970 zurück und führten zur Erprobung des bislang in diesem Bereich wenig benutzten Lithiums.

Man ersetzte die im Akkumulator ursprüngliche Anoden-Platte aus Blei durch eine Lithium-Graphit-Platte und die bislang verwendete Schwefelsäure durch (bitte auswendig lernen!) Lithiumphosphatnitrid, Lithiumtitanthiophosphat oder ganz andere, noch schwerer auszusprechende Produkte. Erfolg: Heute sind die wiederaufladbaren Batterien viel kleiner, bedeutend ergiebiger bei weniger Verlusten und auch leichter, also das ideale Gerät für ein Elektro-Auto. 

Eine andere Anwendung fand dagegen die Lithion-Ionen-Batterie, die nicht wieder aufgeladen werden kann, also die «pilas» ersetzt und hauptsächlich in Kleinbatterien, sogenannten Knopfzellen verwendet wird. Wir finden sie in Uhren, Fotoapparaten, Computern, Herzschrittmachern, Gartengeräten, Notebooks und militärischen Geräten. Wer also seine Uhr wieder «aufziehen» will, muss das heute mit einer neuen Lithium-Knopfzelle zum Preis von 6.000 bis 9.000 Pesos machen.

Wo kommt Lithium her?

Heute ist Chile der zweitgrößte Lithium-Lieferant der Welt mit 16.000 Tonnen jährlich (2018), davor liegt Australien mit 51.000 Tonnen, nach Chile kommt China mit 8.000 Tonnen. Die Vorräte in Chile werden, je nach Quelle, auf 8,6 Millionen Tonnen geschätzt. Lithium wird in Chile (noch) hauptsächlich aus Solen, das heißt den «Salares» in Tarapacá gewonnen, in Australien dagegen aus dem Hartgestein Pegmatit. Es wird dort also in Bergwerken abgebaut.

Kritik am Lithiumabbau in Chile

Am Lithiumabbau in Nordchile aus Salares gibt es immer wieder Kritik. Laut Berichten aus Deutschland sollen Einheimische über zunehmende Trockenheit klagen, die die Viehzucht beeinträchtigen und zu Trockenheit in der Landwirtschaft führen sollen. Da muss ich mich allerdings wundern, denn Landwirtschaft und Viehzucht wird in Tarapacá ja wirklich nur sehr wenig, wenn überhaupt, betrieben und das nur in den tiefen Schluchten, den «quebradas», die aus unterirdischen Flussläufen bewässert werden. Für den Lithiumabbau selbst wird kein Trinkwasser benötigt. Es könnte höchstens Salzwasser aus dem Abbau in das viel tiefer fließende Südwasser (bis zu 80 Meter tiefer) geraten, aber das ist noch nicht bewiesen. Andererseits säubert sich Wasser automatisch beim Durchsickern durch die tiefer liegenden Gesteinsschichten. Hier haben die Wissenschaftler noch ein weites Feld vor sich.

Lithium am Vulkan Isluga?

Beim Durchstöbern zahlreicher alter Papiere aus der Salpeterzeit bin ich auf Berichte deutscher Chemiker gestoßen. Sie ließen es sich nicht nehmen, neben ihrer Tätigkeit in den «Oficinas Salitreras» auch der Umgebung und damit der Tarapacá-Wüste aus wissenschaftlichem Interesse Besuche abzustatten.

Sie berichteten, am Fuße des Vulkans Isluga im magmatischen Hartgestein Blöcke, die Pegmatit oder Castorit enthalten, gefunden zu haben, ohne dieses im Rahmen damaliger Erkenntnisse überhaupt deuten zu können. Diese Mineralien enthalten, wie bereits beschrieben, Lithium. Die Kunde, was das überhaupt ist, war damals noch nicht nach Chile gelangt.

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