Duurzame productie van batterijwaardig nikkel via waterstofreductie van saproliet

Het opruimen van het nikkel achter elektrische auto’s

Nikkel is een stille krachtpatser van moderne technologie, vooral in de hoogpresterende batterijen die elektrische voertuigen aandrijven. Toch is de productie van dit metaal opvallend vervuilend en veroorzaakt ze grote hoeveelheden kooldioxide. Deze studie verkent een manier om “batterijwaardig” nikkel met veel lagere emissies te maken door steenkool in een belangrijke smeltstap te vervangen door waterstofgas, wat mogelijk de klimaatvoetafdruk van de revolutie rond elektrische auto’s verkleint.

Waarom dit type nikkelerts ertoe doet

Een groot deel van ’s werelds nikkel komt uit verweerde tropische gesteenten die laterieten worden genoemd. Eén belangrijke variëteit, saprolieterts, is rijk aan magnesiumbevattende silicaatmineralen en bevat doorgaans meer dan 1,5% nikkel. Tegenwoordig wordt vrijwel alle saproliet behandeld via een hogetemperatuurroute die bekendstaat als het rotary kiln–electric furnace (RKEF)-proces, waarbij steenkool zowel als brandstof als chemisch reductiemiddel wordt verbrand. Afhankelijk van de omstandigheden kan dit bij de productie van één ton nikkel ongeveer 30 tot meer dan 60 ton kooldioxide uitstoten. Alternatieven zoals agressief zuur-leaching zijn vaak zelfs nog koolstofintensiever. Nu de vraag naar nikkel stijgt door de groei van elektrische voertuigen en de milieucontroles toenemen, is er sterke druk om schonere smelttechnologieën te vinden.

Waterstof gebruiken in plaats van steenkool

De onderzoekers concentreerden zich op een veelbelovend alternatief: waterstofgas gebruiken in plaats van steenkool om zuurstof te onttrekken aan de nikkel- en ijzerhoudende mineralen in saproliet. Ze bouwden een één meter lange roterende stalen reactor die de beweging en gas–vastestofcontacten van een industriële kiln nabootst. Fijn verkleinde saproliet uit Nieuw-Caledonië werd in deze kamer gevoerd, die eerst onder stikstof werd opgeheven en vervolgens werd blootgesteld aan een gecontroleerde stroom van bijna zuivere waterstof bij temperaturen tussen 800 en 950 °C. Door zorgvuldig gewichtsverlies en veranderingen in mineraalstructuur te volgen, konden ze zien hoe snel en hoe volledig het erts werd gereduceerd onder verschillende bedrijfsomstandigheden, zoals temperatuur, gasstroom en deeltjesgrootte.

Waarom de deeltjesgrootte de verborgen hefboom is

Gedetailleerde mineraal- en chemische analyse toonde aan dat grove deeltjes rijker zijn aan magnesiumsilicaten, terwijl fijne deeltjes proportioneel meer ijzermineraal bevatten, maar nikkel zelf bijna gelijkmatig over alle korrelgroottes is verspreid. Dat betekent dat fysieke scheiding van nikkelhoudende mineralen niet praktisch is: het hele erts moet samen worden behandeld. Tijdens behandeling met waterstof bij 900 °C verloor het monster snel ongeveer 20% van zijn massa — een gecombineerd signaal van waterafgifte uit verwarmde mineralen en zuurstofverwijdering tijdens metaalvorming. Opmerkelijk was dat dit massaverlies binnen slechts 15 minuten zijn uiteindelijke waarde bereikte en weinig veranderde bij langere tijden. In plaats daarvan bepaalden twee fysieke factoren de prestatie: gasstroom en deeltjesgrootte. Zodra de waterstofstroom ongeveer 3 liter per minuut overschreed, bracht extra gas geen extra voordeel. Daarentegen gaf fijner malen van het erts een sterke verbetering: de kleinste deeltjes, onder 45 micrometer, bereikten de hoogste en snelste reductie, omdat waterstof makkelijker door het dunne silicaatkader kon diffunderen om de inwendige nikkel- en ijzeratomen te bereiken.

Van gereduceerd erts naar batterijwaardig metaal

Om te onderzoeken of dit waterstofbehandelde erts een bruikbaar product kon opleveren, smolt het team het gereduceerde poeder in een hogetemperatuur verticale oven onder een inerte argonatmosfeer. Bij 1550 °C scheidde het materiaal zich duidelijk in twee lagen: een dicht ijzer–nikkel legering die naar de bodem zonk en een lichter, magnesiumrijk silicaatslak die erbovenop dreef. Microscopen en chemische kaarten bevestigden dat de metallieke laag ongeveer 73% ijzer en 25% nikkel bevatte — typisch voor industrieel nickel pig iron — terwijl de slak grotendeels metaalsvrij was. Omdat de legering sterk magnetisch is, kon deze volledig worden gescheiden met eenvoudige magnetische apparatuur, wat wijst op een efficiënte route van erts naar smelterklaar grondstof zonder extra chemicaliën of vaste reductiemiddelen toe te voegen.

Wat dit betekent voor schonere batterijen

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat de manier waarop we nikkel verwerken veel schoner kan worden zonder het type erts dat we delven te veranderen. Door saproliet fijn te malen en bloot te stellen aan een stevige stroom waterstof bij rond 900 °C, kan het erts binnen enkele minuten worden omgezet in een materiaal dat smelt tot hoogwaardig nickel pig iron, met een duidelijke scheiding tussen metaal en afvalgesteente. Omdat waterstof water produceert in plaats van kooldioxide wanneer het de chemische “ontbinding” verzorgt, kan deze benadering de emissies van nikkelsmelten sterk verminderen als ze wordt aangedreven door laag-koolstof energie. De studie beschrijft het bedrijfsvenster — temperatuur, gasstroom en deeltjesgrootte — dat ingenieurs kunnen gebruiken om lage-koolstofinstallaties te ontwerpen, en benadrukt de volgende stap: het testen van dit op waterstof gebaseerde proces in continue pilotkilns om aan te tonen dat groener nikkel betrouwbaar en op schaal kan worden geproduceerd.

Bronvermelding: Park, T., Han, S., Lee, W. et al. Sustainable production of battery-grade nickel via hydrogen reduction of saprolite. Sci Rep 16, 5553 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36516-z

Trefwoorden: nikkelbatterijen, waterstofsmelten, lage-koolstof metalen, laterieterts, materialen voor elektrische voertuigen