21 maart 2019

“De transitie naar een duurzamer energiesysteem leunt zwaar op lithium. Lithium is onontbeerlijk voor de productie van moderne batterijen. Deze zitten in smartphones, laptops en allerlei draadloze apparatuur. Maar de toepassingen worden steeds groter, zoals bijvoorbeeld elektrische auto’s. Die plotselinge vraag naar lithium toont ook een nieuwe afhankelijkheid; hebben we eigenlijk wel genoeg?”

Je leest:

Lithium, het witte goud

Lithium, het witte goud

Het reactieve wondermetaal van de energietransitie

Auteur: | 8 maart 2019

Lithium is onontbeerlijk voor de productie van lithium-ionbatterijen; en met de doorbraak van de elektrische auto lijkt de vraag ernaar alleen maar toe te nemen. Maar is er wel genoeg lithium te halen?

De komende jaren wordt verwacht dat de vraag naar lithium alleen maar zal toenemen. Dat komt vooral door de toenemende vraag naar elektrische auto’s waarvan de batterijen aanzienlijke hoeveelheden lithium vereisen.

Lithium is het lichtste metaal – zelfs de lichtste vaste stof – uit het periodiek systeem der elementen. Het wordt vooral gewonnen in Chili en Australië, maar is op veel plekken op de wereld te vinden. Mensen maken er niet alleen batterijen van; ongeveer een derde van de wereldwijde productie ging in 2016 naar batterijen en accu’s. Een bijna even groot deel ging in dat jaar naar de keramiek- en glasindustrie, waar het wordt gebruikt om producten sterker te maken. Het overgebleven derde deel wordt gebruikt in uiteenlopende toepassingen, van smeermiddelen tot antidepressiva.

Lithium mag dan veel voorkomen, de komende jaren wordt verwacht dat de vraag naar lithium alleen maar zal toenemen. Dat komt vooral door de toenemende vraag naar elektrische auto’s waarvan de batterijen aanzienlijke hoeveelheden lithium vereisen. Hoeveel er nodig is voor een autobatterij hangt af van de grootte ervan en dus van de kracht en het bereik, maar de batterij van een Tesla bevat naar schatting 63 kilo lithium.

In Nederland rijden nu een kleine 15.000 volledig elektrische auto’s en ruim 120.000 auto’s met een hybride aandrijving (met zowel een brandstof als elektromotor, maar een veel kleinere batterij dan volledig elektrische auto’s). En als het aan de overheid ligt, worden er vanaf 2030 alleen nog maar volledig elektrische auto’s in Nederland verkocht. Als de rest van de wereld daar ook zo over denkt én je ervan uitgaat dat het bestaande wagenpark (een miljard auto’s wereldwijd) op termijn vervangen moeten worden door auto’s met lithium-ionbatterijen, dan wordt duidelijk hoe groot de groei mogelijk is. En daarbovenop komt dan nog de toenemende vraag naar lithium voor batterijen voor grootschalige opslag van duurzaam opgewekte elektriciteit.

Marnix Wagemaker in het lab. Wagemaker is hoogleraar aan de TU Delft. Sinds 2017 leidt hij de Storage of Electrochemical Energy (SEE) afdeling, met een focus op het ontwikkelen van nieuwe batterijen.
TU Delft

Waarom is lithium zo belangrijk voor batterijen?

“Lithium-ionbatterijen hebben een veel grotere energiedichtheid dan andere batterijen, zoals bijvoorbeeld de aloude nikkel-metaalhybridebatterij”, legt Marnix Wagemaker, hoogleraar Storage of Electrochemical Energy aan de TU Delft uit over de telefoon. “Met andere woorden: er kan meer energie in. Dat komt doordat lithium nogal reactief is. In pure vorm is het erg instabiel. Als wij bijvoorbeeld in het lab met snippers puur lithium werken, dan doen we dat in een hyperdroge afgesloten ruimte die gevuld is met argon, een edelgas dat heel stabiel is en eigenlijk met niks wil reageren.”

“Als er ook maar een piepklein beetje zuurstof bij zou komen, zou het lithium meteen reageren tot lithiumoxide. Die bindingen kunnen heel sterk zijn. Als lithium de kans krijgt, bindt het bijvoorbeeld met heel veel graagte aan een stof als kobaltoxide. En als je die krachtige ‘wil’ van lithium om zich te binden aan kobaltoxide in een batterij weet te vangen, dan manifesteert zich dat als een hoog voltage. Lithium-ionbatterijen hebben daardoor een voltage van 3,6. Gewone nikkelbatterijen hebben slechts 1,4 volt. Dus toen de Amerikaanse onderzoeker John Goodenough er in de jaren tachtig als eerste in slaagde om van van lithium en kobaltoxide een batterij te maken, schoot de energiedichtheid omhoog.”

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Waarom winterslapers gezond wakker worden

Klimaatwetenschappen
De aarde opwarmen met 130 kilometer per uur

Cultuurwetenschappen
Nette dames vechten voor kiesrecht

Even kort: hoe werkt een batterij ook alweer?

Een ander woord voor een batterij is een ‘elektrochemische cel’. Dat geeft al aan wat er in een batterij gebeurt: er komt elektriciteit vrij door chemische stoffen gecontroleerd met elkaar te laten reageren. Er zijn ontzettend veel varianten op, maar het principe van een elektrochemische cel is altijd hetzelfde.

Een lithium-ionbatterij (Li-ionbatterij) werkt doordat lithiumionen van de anode naar de kathode stromen. Bij het opladen stromen de ionen weer terug.

De reactie vindt plaats met behulp van kathodes en anodes. Dat zijn respectievelijk de negatieve en de positieve kant van de batterij. Die zijn gemaakt van verschillende materialen. Binnen de elektrochemische cel heeft de energiedrager (lithium bijvoorbeeld, maar er zijn er meer: nikkel is een andere bekende) de eigenschap dat hij wordt afgestoten door het materiaal waar de anode van gemaakt is en aangetrokken door het materiaal van de kathode. Het lijkt daarom alsof de energiedrager naar de andere kant van de elektrochemische cel wil verhuizen. Daarbij ontstaat er een energieverschil tussen de positieve en negatieve kant van de elektrochemische cel dat alleen kan worden opgeheven als de elektronen ontsnappen door de anodekant (de plus op je standaard penlightbatterij) om naar de kathodekant (de min) te stromen. En dan heb je een stroom elektronen en daar kunnen we bijvoorbeeld een lampje op laten branden.

Alternatieven voor de lithium-ion batterij

De andere factor die energiedichtheid bepaalt, is de zogenaamde ‘capaciteit’ van een batterij. Dit is waar Wagemaker zich vooral mee bezighoudt: de zoektocht naar nieuw kathode- en anodemateriaal (de twee polen waartussen de chemische energie zich in een batterij beweegt en waarbij de elektrische energie vrijkomt). “Capaciteit is een begrip dat bepaalt hoeveel van de ladingdrager – in dit geval lithium – je in een batterij kunt stoppen. In de nu gangbare lithiumbatterijen zit het lithium als het ware opgesloten in grafiet: dat is de anode. Je kunt je dat grafiet voorstellen als een soort boekenkast. En het lithium zijn dan de boeken. Maar per zes koolstofatomen, waaruit grafiet bestaat, kan je maar één lithiumatoom toevoegen. Wij zoeken naar materialen waarmee je een ‘boekenkast’ kunt maken waar je twee tot vier keer zoveel ‘lithiumboeken’ in kan zetten. Want dan vliegt de energiedichtheid ervan omhoog.”

Is het dan mogelijk dat er in de toekomst een batterij is waar geen lithium meer in zit? Wagemaker: “Er is van alles mogelijk, maar voorlopig acht ik die kans niet groot. Het huidige concept van de lithium-ionbatterij komt al wel in de buurt van zijn maximale energiedichtheid. Zelfs de gedroomde alternatieven maken meestal gebruik van lithium als grondstof, zoals siliciumbatterijen. Een ander voorbeeld is de zoektocht naar een anode van puur lithiummetaal. Dan heb je als het ware een boekenkast gemaakt van boeken. Dat zou geweldig zijn om twee redenen. Ten eerste heb je meer energiedrager en ten tweede is lithium heel licht. Veel kathodes en anodes zijn vreselijk zwaar, maar dat zou hier dus minder spelen. Dat vertaalt zich in elektrische auto’s bijvoorbeeld direct in een grotere actieradius.”

Niels Hulsbosch is als postdoctoraal onderzoeker verbonden aan de afdeling geologie van de KU Leuven. Hij is gespecialiseerd in de vorming van stollingsgesteenten zoals pegmatieten en de rol van de vormingsprocessen in het aanrijken van kritieke en zeldzame metalen, zoals lithium, beryllium, niobium, tantaal, tin en wolfraam.
Niels Hulsbosch

We kunnen dus niet zonder. Maar is er genoeg mijnbare lithium beschikbaar?

Niels Hulsbosch, post-doctoraal onderzoeker geochemie aan de KU Leuven is stellig in zijn reactie via Skype. Volgens hem lijkt er voorlopig ruimschoots voldoende winbare lithium in de aardkorst te zitten; al bestaat daar wel enige verwarring over. “Door de hoge vraag naar lithium en voortgaande exploratie zijn de bekende lithium-resources wereldwijd aanzienlijk toegenomen. In 2018 bedroegen ze in totaal meer dan 53 miljoen ton. Dat is voorlopig zeker genoeg. In 2017 bedroeg de wereldwijde productie zo’n 43.000 ton (dat is exclusief de productie uit de Verenigde Staten die hun gegevens geheimhouden, red.) en daarmee redden we het momenteel.”

Veruit het grootste deel wordt gewonnen in Chili en Australië, met respectievelijk 33 en 43 procent (14.100 en 18.700 ton) van de wereldproductie in 2017. Hulsbosch: “Lithium zit voornamelijk in twee types ertsafzettingen: in hard gesteente zoals pegmatieten, of in speciale zoutmeren, ook wel pekels genoemd. Dit zijn zoutmeren waar water instroomt dat niet naar zee kan afvloeien. Het lithium spoelt uit hogerliggend gesteente door erosie, komt in het zoutmeer waar het water verdampt, waardoor het gehalte lithium steeds toeneemt.” Dit proces resulteert in de karakteristieke zoutmeren zoals het Chileense Atacamameer, wat een van de belangrijkste wingebieden voor lithium is.

Het lithium uit de pekel van de zoutvlaktes is relatief makkelijk winbaar. Het zout moet wel verwerkt worden – wat overigens erg veel water kost en daardoor omstreden is. Maar de moeite die gedaan moet worden is minder groot dan bij het zogenaamde pegmatietgesteente dat de andere grote vindplaats van lithium is. “Vooral in de mineralen petaliet, spodumeen en lepidoliet kunnen relatief hoge concentraties gevonden worden, maar daarvoor is het wel nodig het harde gesteente te breken met explosieven of zware machines”, legt Hulsbosch uit. Het is ook lastiger het lithium uit het erts te krijgen. “Het is opvallend dat Australië in 2014 Chili heeft ingehaald als grootste producent, want die groei hebben ze vooral gerealiseerd door het mijnen van spodumeen uit hardere gesteentes.”

De ‘limits to lithium’-mythe

Toen begin deze eeuw duidelijk werd hoezeer de energietransitie de vraag naar lithium zou opdrijven verscheen in verschillende media het verhaal dat er niet genoeg beschikbaar zou zijn. Met name een zekere William Tahil schreef een publicatie met als titel The trouble with lithium waarin hij stelde dat er onvoldoende winbare lithium op aarde was. Die studies werden al snel ontkracht, maar in de media bleven verhalen over ‘limits to lithium’ het goed doen (lees daarover deze Twitter-thread van TU Eindhoven onderzoeker Auke Hoekstra).

Anticiperen op een tekort

Hoe groot de vraag naar autobatterijen precies gaat worden, is nog onzeker en daarom heeft het U.S. Department of Energy, het Amerikaanse ministerie voor energie, in 2011 verschillende scenario’s gemaakt voor de vraag tot 2025. Het laagste scenario komt uit op 200.000 ton, het middelste op 400.000 ton en het hoogste scenario op niet minder dan 900.000 ton. Het middelste scenario is gebaseerd op een toename in het aantal elektrische auto’s naar 36,6 miljoen auto’s wereldwijd. Ter vergelijking: in 2017 reden er ongeveer drie miljoen elektrische auto’s rond. Als we dat scenario mogen geloven gaat de vraag naar lithium de komende jaren dus vertienvoudigen.

Onlangs opperde Jan Hessel Miedema, een Groningse promovendus, in zijn proefschrift dat het een goed idee was te anticiperen op eventuele tekorten aan lithium. Miedema was zich bewust dat de absolute hoeveelheid winbare lithium geen probleem vormde, maar hij vond het aannemelijk dat de productie van de praktisch bruikbare, geraffineerde vorm van lithium de vraag niet zou kunnen bijhouden. Miedema baseerde die gedachte op zijn berekening dat er in Europa in 2030 zo’n 377 miljoen auto’s zouden rondrijden. Momenteel zitten we op een kleine 300 miljoen.

Die cijfers zijn niet onomstreden. Hoogleraar transportbeleid Bert van Wee laat per mail weten dat hij verwacht dat het aantal auto’s in de huidige EU lidstaten ruwweg gelijk zal blijven, omdat het inwonertal van de EU tussen nu en 2050 naar verwachting zal afnemen. “Bij een sterke opkomst van autodelen kan het totaal zelfs gaan afnemen”, besluit Van Wee.

Volledig elektrische voertuigen – zoals de hier afgebeelde Nissan LEAF – hebben een veel grotere batterij nodig dan hybride voertuig, die naast een elektrische ook nog een traditionele brandstofaangedreven motor hebben.

Compromis tussen brandstof en volledig elektrisch

Maar dat neemt niet weg dat de consequenties van zo’n theoretisch productietekort aan lithium ver kunnen reiken. Zo becijferde Miedema dat de beleidsfocus op volledig elektrische voertuigen wellicht contraproductief kan uitpakken wat betreft uitstoot. Zou er een lithiumtekort ontstaan dan ligt het voor de hand dat mensen langer blijven rijden met brandstofaangedreven transport, met alle uitstoot van dien. Volgens Miedema zou het daarom beter zijn om ook de zogeheten plug-in hybrid-voertuigen niet zomaar tot het verdomhoekje te verbannen. Die PHEV’s (plug-in hybrid electric vehicle) hebben een veel kleinere batterij dan de volledig elektrische EV’s (electric vehicle) en hebben dus ook veel minder lithium nodig.

De keerzijde van die kleinere batterij is dat PHEV’s een veel minder groot elektrisch bereik hebben dan de EV’s. Dat wordt opgelost door een kleine brandstofmotor die de aandrijving regelt op het moment dat de batterij leeg is. Maar op dat moment worden er wel weer broeikasgassen uitgestoten. De reden dat Miedema in het eventuele geval van een lithiumtekort een rol weggelegd zag voor PHEV’s is dat veruit de meeste ritten in Nederland niet langer zijn dan veertig kilometer. Die kunnen gemakkelijk op de kleine batterij van de plug-in hybrid, en dus uitstootloos, gereden worden. Het voordeel van de PHEV boven de EV gaat dus alleen maar op in het geval van een lithumtekort: je kunt gewoon meer kleine batterijen maken dan grote, maar gelukkig hebben we meestal eigenlijk niet zulke hele grote batterijen nodig.

Lithium niet kritiek, kobalt wel

De Europese Commissie beoordeelt of de voorziening van een bepaalde grondstof ‘kritiek’ genoemd kan worden op basis van twee parameters. Ten eerste de grootte van het economische belang van de stof – waar wordt de stof voor gebruikt en bestaan er alternatieven? Ten tweede de kans op diverse bevoorradingsrisico’s – hoeveel komt de stof geologisch gezien voor, liggen de belangrijkste voorraden in politiek instabiele landen of conflictzones en in welke mate heeft een land een monopoliepositie in de productie ervan?

Lithium scoort op alle punten goed: de grondstof is over de hele wereld te vinden, in politiek stabiele landen en er is geen sprake van een monopolie. Ook bestaan er alternatieven, alhoewel die nadelen hebben (zie de opmerkingen van Marnix Wagemaker). Een ander belangrijke component in de huidige lithium-ionbatterijen – kobalt – staat evenwel wél op de lijst van de Europese Commissie.

De hele kwestie over PHEV’s of EV’s mag enigszins triviaal lijken, maar dergelijke beslissingen zijn vormend voor de energietransitie. Niemand weet precies hoe het eruit moet zien, maar het plan is dat Nederland in 2050 helemaal geen CO2 meer uitstoot. Om de transportsector zo ver te krijgen is in het Klimaatakkoord opgenomen dat alle nieuwe auto’s vanaf 2030 volledig elektrisch moeten zijn. PHEV’s mogen dan niet meer worden verkocht.

De lithium-eeuw

Of er tijdig kan worden opgeschaald blijft nog even de vraag, maar de voortekenen zijn niet ongunstig. Lithium wordt over de hele wereld gevonden en geen enkel land of bedrijf heeft een monopoliepositie of een kans een monopolie te verwerven. Ook zijn de megafabrieken die op moment in China en de VS worden gebouwd een teken aan de wand dat de eenentwintigste eeuw de lithium-eeuw zal worden.

Is lithium de ideale energiedrager in batterijen? Daar lijkt het voorlopig wel op: het is licht, heeft een hoge energiedichtheid en hoewel er de komende jaren nieuwe batterijconcepten op de markt zullen komen, blijven de meeste het lichte metaal bevatten. Voorlopig lijken er genoeg lithiumreserves te zijn om in die toenemende vraag te voldoen. Die reserves bevinden zich bovendien in verschillende landen en de winning ervan wordt niet beheerst door één land of economische speler.

Als er een bottleneck is, dan zit die bij de productie naar een gebruiksklare grondstof. Het is even afwachten of de mijnbouwbedrijven en raffinaderijen de vraag kunnen bijbenen. Die eventuele kortstondige tekorten maken dat overgangstechnologieën als de plug-in hybrid voorlopig misschien niet begraven moeten worden. Maar uiteindelijk moet de energietransitie een eind kunnen komen op het witte goud.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 maart 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.