Lithium, het witte goud

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.

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.”

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.”

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.

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.