Lithiumhydroxide: de bouwsteen voor krachtigere batterijen
Lithiumhydroxide is een wit, kristallijn zout (scheikundige formule LiOH) dat zelf niets met elektriciteit doet, maar onmisbaar is bij het maken van bepaalde soorten oplaadbare batterijen. Je kunt het vergelijken met bloem bij het bakken van brood: de bloem zelf is geen brood, maar zonder de juiste bloem krijg je nooit het gewenste resultaat. Lithiumhydroxide is zo'n grondstof die fabrikanten nodig hebben om de actieve laag in een batterij-elektrode te maken.
Het zout wordt vooral gebruikt voor een specifiek type batterij-elektrode met veel nikkel erin, zoals je die aantreft in veel elektrische auto's. Hoe meer nikkel een batterij bevat, hoe meer energie er per kilo in past, wat auto's een grotere actieradius geeft. Maar juist die nikkelrijke mengsels laten zich beter maken met lithiumhydroxide dan met het goedkopere en bekendere lithiumcarbonaat. Daardoor is lithiumhydroxide de laatste jaren uitgegroeid van een nichechemicalie tot een grondstof waar hele industrieƫn en zelfs overheden zich zorgen over maken.
Wat is het precies?
Lithium is het lichtste metaal dat er bestaat en reageert heel makkelijk met andere stoffen. In de natuur komt het nooit los voor, maar altijd gebonden in mineralen of opgelost in water. Om er iets bruikbaars van te maken, moet het eerst gewonnen en gezuiverd worden tot een chemische verbinding, meestal lithiumcarbonaat of lithiumhydroxide.
Er zijn twee hoofdroutes om bij lithium te komen. De eerste is hardrock-mijnbouw: in Australiƫ wordt een mineraal genaamd spodumeen uit de grond gehaald, verpulverd en met hitte en zuren behandeld tot een lithiumhoudend tussenproduct. De tweede route is pekelwinning: in zoute meren (salares) in Chili en Argentiniƫ wordt grondwater met opgeloste zouten naar de oppervlakte gepompt en in enorme, felgekleurde verdampingsbekkens maandenlang in de zon laten indampen, waarna lithium overblijft tussen andere zouten als kalium en magnesium.
Beide routes leveren meestal eerst lithiumcarbonaat op. Om daar lithiumhydroxide van te maken, wordt het carbonaat chemisch omgezet (causticering) met behulp van kalk. Steeds vaker proberen producenten lithiumhydroxide direct uit spodumeen te maken, zonder de tussenstap via carbonaat, omdat dat efficiƫnter is. Ook wordt geƫxperimenteerd met zogeheten directe lithium-extractie (DLE): technieken met membranen of absorptiematerialen die lithium sneller en met minder waterverbruik uit pekel filteren, zonder de traditionele verdampingsbekkens.
Het eindproduct dat batterijfabrikanten kopen is meestal lithiumhydroxide-monohydraat, een kristalvorm met een watermolecuul eraan gebonden. Dit wordt vervolgens vermengd met nikkel, kobalt en mangaan (of nikkel, kobalt en aluminium) en bij relatief lage temperatuur gebakken tot het kristalrooster ontstaat dat in een batterij-elektrode als drager voor lithium-ionen dient.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van de zaak is energiedichtheid: hoeveel energie je in een batterij van een bepaald gewicht en volume kunt stoppen. Elektrodes met veel nikkel, die lithiumhydroxide vereisen, kunnen meer energie opslaan dan de klassieke, kobaltrijke varianten. Voor elektrische auto's betekent dit een grotere actieradius zonder dat de auto zwaarder of de accu groter wordt, en voor andere toepassingen zoals drones of elektrisch vliegen is gewichtsbesparing al helemaal cruciaal.
Een tweede drijfveer is het verminderen van kobalt in batterijen. Kobalt is duur, de prijs schommelt sterk en een groot deel van de wereldwijde winning komt uit de Democratische Republiek Congo, waar mensenrechtenorganisaties al jaren misstanden in kleinschalige mijnbouw documenteren. Door meer nikkel en minder kobalt te gebruiken, verminderen fabrikanten hun afhankelijkheid van dat ene land en die ene grondstof.
Tot slot speelt geopolitiek en industriebeleid een rol. Landen als de Verenigde Staten en lidstaten van de Europese Unie willen minder afhankelijk zijn van verwerkingscapaciteit die nu grotendeels in China ligt. Wie zelf lithiumhydroxide van hoge kwaliteit kan maken, bouwt een stevigere positie op in de keten van elektrische auto's en energieopslag.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten laat zien hoe de industrie zich ontwikkelt:
- Kemerton, Australiƫ (Albemarle en Mineral Resources, vanaf 2021): een grote lithiumhydroxide-raffinaderij bij Bunbury in West-Australiƫ, gevoed met spodumeen uit de regio. Het project liep vertraging op door technische opstartproblemen, wat illustreert hoe lastig het is om deze chemie op industriƫle schaal betrouwbaar te laten draaien.
- Kwinana, Australiƫ (Tianqi Lithium en IGO, eerste productie 2022): een vergelijkbare raffinaderij die lithiumhydroxide maakt uit erts van de Greenbushes-mijn, 's werelds grootste en oudste hardrock-lithiummijn.
- Thacker Pass, Nevada, Verenigde Staten (Lithium Americas, bouw gestart in 2023): een groot kleimineraal-project dat met steun van een Amerikaanse overheidslening en een investering van autofabrikant General Motors binnenlandse lithiumproductie moet opbouwen, als tegenwicht tegen de afhankelijkheid van buitenlandse verwerking.
- Cauchari-Olaroz, Argentiniƫ (Ganfeng Lithium en Lithium Americas, productie gestart in 2023): een pekelproject in de Argentijnse Andes dat laat zien hoe Zuid-Amerikaanse salares nog altijd worden uitgebreid.
- Upper Rhine Valley, Duitsland (Vulcan Energy Resources, in ontwikkeling): een project dat lithium wil winnen uit hete, diep gelegen pekel die ook wordt gebruikt voor geothermische energie, met als belofte een CO2-arme productie middenin Europa.
Hoe ver is de techniek?
De scheikunde achter lithiumhydroxide is op zichzelf geen nieuwe wetenschap; het gaat om bekende, decennialange industriƫle chemie. Wat recent is, is de enorme opschaling: binnen een jaar of tien moest de productie vertienvoudigen om aan de vraag van de auto-industrie te voldoen. Die snelle groei zorgt voor groeistuipen, zoals vertraagde raffinaderijen en kwaliteitsproblemen bij het opstarten van nieuwe fabrieken.
De markt is bovendien grillig. Rond 2022 schoot de prijs van lithiumchemicaliƫn tijdelijk tot recordhoogte door een combinatie van sterk stijgende vraag naar elektrische auto's en te weinig nieuwe mijnbouwcapaciteit. Daarna daalden de prijzen weer fors, onder meer doordat veel nieuwe projecten alsnog in productie kwamen en de groei van elektrische-autoverkopen in sommige markten afvlakte. Dit maakt het voor producenten lastig om te voorspellen of investeringen in nieuwe fabrieken zich terugbetalen, en vertraagt daardoor soms juist de bouw van extra capaciteit.
Een ander obstakel is milieudruk. Pekelwinning gebruikt veel water in vaak al droge gebieden, wat tot spanningen leidt met lokale gemeenschappen in Chili en Argentiniƫ. Hardrock-mijnbouw in Australiƫ vraagt dan weer veel energie voor het malen en verhitten van erts. Directe lithium-extractie wordt gezien als mogelijke oplossing voor het waterprobleem, maar is nog volop in ontwikkeling en nergens op volledige industriƫle schaal bewezen goedkoper of schoner dan klassieke methoden.
Wie werken eraan?
Een beperkt aantal grote spelers domineert de markt. Albemarle (Verenigde Staten) en SQM (Chili) behoren tot de langst gevestigde producenten, met activiteiten in zowel Noord- als Zuid-Amerika en AustraliĆ«. Chinese bedrijven als Ganfeng Lithium en Tianqi Lithium hebben de afgelopen tien jaar fors geĆÆnvesteerd in mijnen en raffinaderijen over de hele wereld, en China beschikt over een groot deel van de wereldwijde verwerkingscapaciteit voor lithiumchemicaliĆ«n. Arcadium Lithium (ontstaan uit een fusie van Livent en Allkem) en Rio Tinto zijn andere grote namen, waarbij Rio Tinto onder meer het omstreden Jadar-project in ServiĆ« op de plank heeft liggen, dat na lokale protesten tegen milieurisico's is stilgelegd.
Op onderzoeksvlak houden instituten als het Amerikaanse Argonne National Laboratory en Duitse Fraunhofer-instituten zich bezig met het verder verbeteren van batteriechemie en wininguiken. Overheden spelen een steeds grotere rol via industriebeleid: de Amerikaanse Inflation Reduction Act geeft belastingvoordelen aan batterijen met grondstoffen uit de VS of bevriende landen, en de Europese Unie probeert via de Critical Raw Materials Act eigen winnings- en verwerkingscapaciteit op te bouwen, al blijft Europa vooralsnog sterk afhankelijk van import.