Exploitation minière et raffinage : le lithium, alimentant l’avenir avec de la saumure

Il y a de nombreuses années, j’ai lu un article sur la nouvelle tendance : les piles au lithium. L’auteur a commencé par ce qu’il pensait sans aucun doute être une référence intelligente à la culture pop en disant que la simple mention du lithium « semerait la peur dans le cœur des Klingons ». C’était une faible référence aux «cristaux de dilithium» fictifs de Star Trek célébrité, et même alors je l’ai trouvé un peu ringard, mais je suppose qu’il devait mener avec quelque chose.

Des décennies plus tard, une compréhension plus profonde de la tradition montre clairement que la seule peur d’un Klingon est la mort avec déshonneur, mais il est une espèce ici sur terre qui vit dans la peur du lithium : les PDG d’entreprises de fabrication de véhicules électriques. Pour eux, ce n’est pas la présence de lithium qui fait peur, mais sa relative absence ; alors qu’il s’agit du 25e élément le plus abondant de la croûte terrestre et que des gigatonnes sont dissoutes dans les océans du monde, le lithium est très réactif et a donc tendance à être diffus, ce qui le rend difficile à obtenir concentré dans les quantités dont dépendent leurs activités.

Alors que les marchés des véhicules électriques et des énergies renouvelables continuent de croître, le besoin de lithium pour fabriquer des batteries augmentera avec lui, potentiellement au point où la demande dépassera la capacité de production de l’industrie minière. Pour comprendre comment ce déséquilibre peut être possible, nous examinerons comment le lithium est actuellement extrait, ainsi que certaines nouvelles techniques d’extraction qui pourraient aider à combler le manque de lithium à venir.

Un début difficile

Bien que le lithium soit connu et bien caractérisé par les chimistes depuis le début des années 1800, ce n’est qu’au milieu du siècle précédent que des utilisations commerciales des composés du lithium ont été identifiées. La demande de l’industrie aéronautique en lubrifiants stables a entraîné le développement de graisses à base de savons de lithium, et le besoin de métaux performants mais légers a conduit l’industrie de l’aluminium à utiliser le lithium pour améliorer le procédé de fusion Hall-Héroult. À peu près à la même époque, les médecins ont découvert que les sels de lithium pouvaient traiter les patients atteints de trouble bipolaire.

Un gros cristal de spodumène
Un gros cristal de spodumène (inosilicate d’aluminium et de lithium, LiAl (SiO3)2) trouvé dans le Massachusetts. Source : par Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Même avec la demande supplémentaire de l’industrie nucléaire naissante à partir des années 1940, la quasi-totalité du lithium nécessaire pouvait être fournie par de petites exploitations minières en roche dure qui exploitaient des gisements de roches contenant de gros cristaux de minéraux de lithium, comme le spodumène, la pétalite et la lépidolite. . Ces trois minéraux restent à ce jour très demandés pour la production d’hydroxyde de lithium, l’un des deux principaux composés du lithium utilisé par l’industrie.

La production de lithium à partir de mines de roche dure a beaucoup en commun avec d’autres méthodes d’extraction et de raffinage dont nous avons parlé dans cette série. Les roches minéralisées sont expulsées des mines à ciel ouvert, ramassées par de gigantesques chargeurs et transportées par camion vers une usine de raffinage. Là, la roche est réduite en taille par une série de concasseurs et de broyeurs jusqu’à ce qu’elle devienne une poudre fine. De l’eau est ajoutée à la poudre pour créer une bouillie connue sous le nom de pulpe, qui contient également des tensioactifs et des dispersants qui rendent les minéraux contenant du lithium hydrophobes. Dans un réservoir peu profond avec de l’air pompé par le bas, le lithium léger forme une mousse qui flotte vers le haut tandis que les particules de roche plus lourdes coulent.

Une fois la mousse de lithium écrémée du réservoir de flottation, le liquide supplémentaire est filtré pour créer une poudre de lithium concentrée mais impure qui doit être raffinée. Le processus de raffinage dépend beaucoup des minéraux sources et du produit final souhaité, mais pour le minerai de spodumène concentré, le lithium est généralement lessivé à l’aide d’une combinaison d’acide sulfurique et d’hydroxyde de sodium. Bien qu’il s’agisse d’une voie directe avec des rendements élevés, les acides et les bases impliqués peuvent la rendre problématique pour l’environnement. D’autres processus de lixiviation sans acide ont été développés en conséquence, ce qui serait le type de processus que Tesla utilise dans sa nouvelle usine d’hydroxyde de lithium en cours de construction à côté de sa Gigafactory au Texas.

Dans la mine de saumure

Comme mentionné précédemment, l’eau de mer contient quelque chose comme 230 milliards de tonnes de lithium, dissous principalement sous forme de sels de lithium. Bien que cela constitue la majeure partie du lithium sur la planète, il est beaucoup trop diffus – à peine 25 micromolaires – pour servir de source commerciale viable sans de vastes dépenses d’énergie pour l’extraire et le concentrer. Mais l’eau de mer n’est pas la seule saumure contenant du lithium, et l’extraction du précieux métal des saumures souterraines est devenue la principale méthode de production depuis les années 1990.

Les plus grandes saumures contenant du lithium se trouvent de loin dans le « triangle du lithium » d’Amérique du Sud. Occupant des parties du Chili, de la Bolivie et de l’Argentine, la région abrite de grands salars ou salars, des zones où d’anciens lacs ou étangs se sont évaporés, laissant derrière eux des sels et d’autres minéraux précipités. Ces salines se sont accumulées au cours de millions d’années, laissant de riches couches de minéraux sous leurs surfaces. Et comme nous le verrons, le terrain plat et les conditions arides difficiles à la surface jouent également un rôle dans le processus d’exploitation minière.

Salar d'Atacama depuis l'espace
Étangs de saumure au Salar de Atacama au Chili, vus de l’espace. Pour l’échelle, chacun des longs et maigres étangs du centre mesure près d’un kilomètre de long. La source: Observatoire de la Terre de la NASA, par Lauren Dauphin

L’extraction de la saumure de lithium ne ressemble à aucune des autres méthodes d’extraction que nous avons couvertes auparavant et ne pourrait pas être plus simple. Au lieu de déterrer des roches et d’isoler minutieusement le matériau d’intérêt, l’extraction de saumure consiste à injecter de l’eau dans des gisements de sel à travers des forages profonds. L’eau dissout les dépôts de sel, créant une saumure riche qui peut être pompée jusqu’à la surface. La saumure est pompée dans des étangs peu profonds et laissée au soleil pour s’évaporer.

Lorsque la plus grande partie de l’eau d’un bassin s’est évaporée, jusqu’à deux ans plus tard, la saumure désormais concentrée est récoltée. Le concentré contient une variété d’éléments en plus du lithium, notamment du sodium, du magnésium, des phosphates et du bore. Le concentré peut soit être traité plus avant sur place, soit, comme cela devient de plus en plus courant, expédié par pipelines vers les ports pour être transporté vers des usines de traitement du lithium à l’étranger.

À première vue, la méthode d’évaporation pour l’extraction de saumure de lithium semble gagnante. C’est super simple, il est alimenté presque exclusivement par le soleil et il est dépourvu de certains des impacts qu’une grande exploitation minière à ciel ouvert peut avoir. Mais il y a encore d’énormes problèmes avec la concentration d’évaporation. Tout d’abord, il faut de grandes quantités d’eau pour créer les saumures en premier lieu, et comme les bassins d’évaporation ne sont pratiques que dans les endroits où il ne pleut pas beaucoup, l’eau est déjà rare. L’eau utilisée pour l’extraction de la saumure est également perdue dans l’atmosphère, revenant à la surface quelque part loin des bassins d’évaporation. De plus, les bassins d’évaporation occupent des terres incroyablement grandes – certains complexes de bassins couvrent une superficie de la taille de Manhattan – ce qui rend difficile l’intensification des opérations. Et le temps qu’il faut au soleil pour faire son travail est un problème en termes de flexibilité de la production.

Une meilleure façon

Pour tirer le meilleur parti de l’extraction de la saumure tout en atténuant ses lacunes, les méthodes d’extraction directe du lithium sont de plus en plus populaires. Dans DLE, la saumure est pompée à partir de sources souterraines, mais au lieu de concentrer la saumure par évaporation à l’air libre, le lithium est retiré de la saumure en utilisant un certain nombre de méthodes chimiques et physiques. Une méthode est l’adsorption par échange d’ions, où la saumure est mélangée avec un matériau absorbant qui lie préférentiellement les composés de lithium aux autres composés de la saumure. Une classe de sorbants utilisés dans le DLE est connue sous le nom d’hydroxydes doubles en couches (LDH), des matériaux avec une structure en couches qui permet au chlorure de lithium dans la saumure de s’insérer entre les couches tout en excluant le potassium, le magnésium et d’autres sels. La saumure est renvoyée au sol, tandis que le chlorure de lithium de haute pureté est lavé du sorbant.

D’autres méthodes DLE incluent des technologies de séparation par membrane comme l’osmose inverse, où la saumure est pompée à haute pression à travers des membranes avec des pores qui retiennent les sels de lithium, ou par extraction par solvant, où des solvants organiques sont utilisés pour extraire le lithium. Le thème commun avec les méthodes DLE, cependant, est le fait qu’il s’agit de processus en boucle fermée – l’eau utilisée pour créer la saumure est renvoyée aux formations souterraines contenant le lithium. Les usines DLE occupent également une fraction de l’espace physique que prendrait même un seul bassin d’évaporation, et elles ne dépendent pas d’environnements extrêmes comme salars travailler.

Le meilleur des deux mondes

Aussi attrayante que soit la technologie DLE, à l’échelle nécessaire pour être commercialement viable, les usines DLE nécessitent toujours une bonne quantité d’énergie pour fonctionner. Mais à certains endroits, une bizarrerie de la géologie a laissé d’amples gisements de lithium à proximité d’une source d’énergie renouvelable abondante. Dans la vallée impériale de Californie se trouve la mer de Salton, un lac salin intérieur qui se trouve au sommet d’une série de failles géologiques actives, dont la célèbre faille de San Andreas. La région est parfaite pour la production d’électricité géothermique, avec onze centrales produisant actuellement 2 250 MW. Certaines de ces centrales géothermiques sont colocalisées avec des centrales DLE, qui pompent des saumures chaudes riches en lithium qui sont purifiées à l’aide de l’énergie géothermique produite sur place. Sur le plan environnemental, ces centrales ont à peu près le même impact que la production de lithium, la centrale géothermique DLE construite par la société australienne Controlled Thermal Resources devant produire 68 000 tonnes de lithium de qualité batterie d’ici 2027.

Avec la demande de lithium qui va monter en flèche, la capacité d’extraire ce que nous pouvons des sources limitées dont nous disposons en utilisant la plus faible quantité d’énergie possible devient en effet un défi. Le DLE géothermique semble être un bon début, mais le nombre d’endroits dans le monde avec à la fois la bonne géochimie et la tectonique pour soutenir de telles opérations est limité. Il faudra une ingénierie intelligente pour obtenir le reste du lithium disponible, du moins avec la technologie et les ressources énergétiques dont nous disposons actuellement.

[Banner photo by PABLO COZZAGLIO/AFP via Getty Images]