Le lithium (du grec lithos ou pierre) est un métal alcalin blanc argenté qui est l’élément solide le plus léger. À seulement un pas atomique de l’hélium, ce métal magique semble être dans tout ces jours-ci. En plus de former l’épine dorsale de nombreux types de batteries, il est également utilisé dans les lubrifiants, les médicaments stabilisateurs d’humeur et sert d’additif important dans la production de fer, d’acier et d’aluminium. De plus en plus, le monde cherche à stocker de plus en plus d’énergie alors que les téléphones, les réseaux solaires et les voitures électriques continuent de gagner en popularité, chacun étant équipé de batteries au lithium. Cela se traduit par un besoin toujours croissant de plus de lithium. Jusqu’à présent, la production a eu du mal à suivre le rythme de la demande. Cela conduit à la question: avons-nous assez de lithium pour tout le monde?

Il faut environ 63 kg (138 lb) de lithium pur à 99,5% pour fabriquer une batterie Tesla Model S de 70 kWh. En 2016, l’OICA a estimé que le monde comptait 1,3 milliard de voitures en circulation. Si nous remplaçons chaque voiture par une version électrique, nous aurions besoin de 179 milliards de livres ou 89,5 millions de tonnes (81 millions de tonnes) de lithium. Ce ne sont que les voitures. Cela n’inclut pas les smartphones, les ordinateurs portables, les systèmes d’alimentation domestique, les projets de stockage en réseau massifs et des milliers d’autres produits utilisant des batteries au lithium.

En 2019, le US Geological Survey a estimé que les réserves mondiales de lithium identifié étaient de 17 millions de tonnes. En incluant les personnes non identifiées, le lithium total estimé dans le monde était de 62 millions de tonnes. Alors qu’aucune de ces estimations n’est à la barre des 89 millions de tonnes, pourquoi y a-t-il un écart si grand entre le total identifié et estimé? Et étant donné la règle générale selon laquelle plus un noyau est léger, plus l’élément est abondant, ne devrait-il pas y avoir plus de réserves de lithium? Après tout, le US Geological Survey estime qu’il y a environ 2,1 milliards de tonnes de cuivre identifié et 3,5 milliards de tonnes supplémentaires qui restent à découvrir. Pourquoi y a-t-il un facteur de 100x séparant ces deux éléments?

Qu’est-ce que le lithium et d’où vient-il?

Le lithium est géologiquement rare car il est instable au niveau atomique car il possède les énergies de liaison par nucléon les plus faibles que tout autre nucléide stable. C’est bon pour les réactions nucléaires (le lithium a été utilisé comme combustible dans les premières réactions nucléaires en 1932) mais mauvais pour le trouver dans la nature. En plus de sa volatilité, le lithium est un alcali et brûle s’il est exposé à l’air. Le lithium pur doit être stocké dans l’huile ou scellé à l’écart des éléments réactifs comme l’air.

Il s'agit d'un grand cristal de spodumène unique de 660 grammes à terminaison nette, extrait vers le milieu des années 1800.
Un cristal de spodumène de 660 grammes à terminaison nette: Rob Lavinsky, iRocks.com

Étant donné qu’il est rare et réactif, le processus d’extraction diffère des autres métaux. Actuellement, le lithium peut être extrait de deux manières. La première consiste à utiliser des composés ioniques, tels que les minéraux pegmatitiques (composés de quartz, de feldspath, de mica et d’autres cristaux). Pendant longtemps, c’était la principale source mondiale de lithium. Une grande partie de la production de lithium en Australie à partir de 2020 provient du spodumène, un minéral pyroxène présent dans les pegmatites et les aplites.

En plus d’être dans les minéraux, le lithium peut être trouvé dans les saumures et l’eau de mer en raison de sa solubilité en tant qu’ion. Cela signifie que les saumures saturées de lithium trouvées en Amérique du Sud et au Nevada peuvent être séchées à l’aide d’un évaporateur solaire, puis une fois qu’une bonne concentration est atteinte, le carbonate de lithium et l’hydroxyde de lithium sont précipités en ajoutant du carbonate de sodium (lessive de soude ou carbonate de sodium) et de l’hydroxyde de calcium ( chaux éteinte ou chaux caustique). Le processus d’extraction de la saumure prend généralement de 18 à 24 mois.

Cependant, les différents processus ne sont pas égaux dans le lithium qu’ils produisent. Comme mentionné précédemment, les fabricants de batteries exigent 99,5% de lithium pur et le 0,5% restant est important. Le saumurage a tendance à apporter du fer ou du magnésium, ce que les fabricants de batteries essaient d’éviter. Le spodumène a également l’avantage de la pureté car le gisement en Australie est estimé à 2,4% de lithium. Cependant, la pure abondance de lithium dans les saumures le rend très convaincant même si sa concentration est beaucoup plus faible (0,2-0,3%). On estime que 230 milliards de tonnes de lithium sont dissoutes dans les océans, mais à 0,1-0,2 ppm, il faudra un certain temps avant que l’extraction devienne économiquement viable. La différence entre les réserves réservées identifiées et les réserves totales estimées s’explique principalement par les saumures. Les saumures sont difficiles à estimer car leur concentration varie considérablement et sont souvent cachées dans des endroits étranges.

Salière d’Uyuni par Leonardo Rossatti de Pexels

Par exemple, la plupart des saumures de lithium du monde sont concentrées dans une région connue sous le nom de «Triangle du lithium», à l’intersection du Chili, de la Bolivie et de l’Argentine. On pense que ce triangle contient plus de 75% du lithium existant connu. Les marais salants du Salar de Uyuni, dans le sud-ouest de la Bolivie, près du sommet des Andes (près de 12 000 pieds ou 3700 mètres au-dessus du niveau de la mer) sont l’une de ces sources de saumure.

Il y a une couche de sel sur le dessus qui varie de quelques centimètres à plusieurs mètres d’épaisseur. Sous la croûte dure se trouve une saumure liquide avec une concentration relativement élevée de lithium (0,3%). Un trou percé dans la croûte permet à la saumure d’être pompée et traitée. Comme vous pouvez l’imaginer, la haute altitude complique l’extraction et rend plus complexe le transport du lithium extrait.

Technologies de la batterie

Pourquoi le lithium fonctionne-t-il si bien comme batterie? La myriade de variétés de batteries utilisant du lithium semble infinie. Il y a Li-MnO2, la chimie de batterie de consommation la plus courante, Li-FePO4, Li-CSVO, Li-CFx, Li-CuFeS et Li-FeS2 ne sont que quelques-unes des variantes couramment utilisées aujourd’hui. Lewin Day a écrit un guide du débutant sur les batteries au lithium qui peut aider à les trier.

Comment une batterie au lithium se décharge
Comment une batterie Li-ion se décharge. Image de Sdk16420 CC-BY-SA

Chaque batterie comprend trois parties: une anode, une cathode et un électrolyte. La plupart des batteries utilisent aujourd’hui un électrolyte liquide, composé de sels de lithium en suspension dans un solvant organique. Les batteries au lithium à semi-conducteurs sont prometteuses mais sont encore en développement. Ils utilisent des oxydes de lithium solides comme électrolytes car étant solides, ils ne peuvent pas fuir, ce qui est un problème de sécurité pour leurs homologues à base liquide. L’anode est souvent un matériau tel que le graphite ou le titanate de lithium intercalé (une stratification réversible) avec du lithium. Les cathodes sont souvent fabriquées à partir de lithium nickel-cobalt (LMO) ou d’oxyde de lithium-nickel manganèse-cobalt (NMC).

La réaction réversible à l’intérieur d’une batterie au lithium est assez similaire pour toutes les batteries au lithium. Pendant la décharge, une demi-réaction d’oxydation se produit sous la forme de l’anode qui forme des électrons négatifs et des ions lithium positifs. Les ions lithium se dirigent vers la cathode tandis que les électrons se déplacent à travers le circuit vers l’anode. Ils s’y recombinent dans une demi-réaction de réduction. Appliquez un courant électrique et cette réaction est inversée. Puisque la cathode et l’anode permettent aux ions lithium de s’intercaler dans leurs structures, on dit que les ions lithium «basculent» entre les deux électrodes. Grâce à l’instabilité relative du lithium et à sa structure atomique, il est facile de former un lithium-ion et de le transporter à travers la batterie.

Cette réaction a ses limites. La surtension d’une batterie (5,2 volts) conduit à la synthèse d’oxyde de cobalt, ce qui endommage les électrodes. Laisser le potentiel de tension chuter trop bas entraîne la production d’oxyde de lithium, qui endommage la batterie de manière irréversible en réagissant à la batterie elle-même. Vous pouvez en apprendre un peu plus sur la chimie des batteries dans ce merveilleux Bob Baddeley écrit l’année dernière.

Problèmes de cathode / cobalt

Comme je l’ai mentionné, les cathodes des batteries sont souvent fabriquées avec du cobalt. Assez drôle, le cobalt est en quelque sorte plus rare que le lithium. Malgré sa rareté, la demande de cobalt n’a cessé de monter en flèche grâce aux batteries lithium-ion. Plus de la moitié de l’approvisionnement mondial se trouve en RD du Congo, qui est une région du monde tristement exploitée. Le travail des enfants et des esclaves est signalé à plusieurs reprises dans les mines et de nombreuses entreprises ont tenté de trouver des sources éthiques de ces matériaux. Des progrès ont été réalisés pour réduire la quantité de cobalt requise par batterie et elle est passée de 1/3 (NMC111) à 1/10 (NMC811) de la cathode. De nombreuses entreprises essaient de fabriquer des batteries entièrement sans cobalt, par exemple, le Tesla Model 3 a une cathode LFP qui est sans cobalt. Même avec la mise en production de nouvelles technologies, nous sommes encore loin d’être sans cobalt et la majorité des batteries d’aujourd’hui sont encore à base de cobalt. Nous pourrions faire face à une pénurie de cobalt bien avant de faire face à une pénurie de lithium.

En avons-nous assez pour tout le monde?

La réponse courte est probablement. Des dizaines d’universités et de laboratoires nationaux différents ont publié des études prédisant d’une manière ou d’une autre. Lawrence Berkeley National Lab a déclaré dans une étude de 2011 que nous pourrions construire un milliard de batteries au lithium de 40 kWh avec nos réserves existantes, mais ils n’ont supposé que 10 kg de lithium par batterie (1/6 d’une Tesla Model S). Même si nous avons suffisamment de matières premières, le processus de conversion en une forme utilisable doit être envisagé.

La consommation a augmenté d’environ 25% par an depuis 2012, dépassant le gain annuel de production de 4 à 5%. À un moment donné, quelque chose devra changer. Plusieurs ont comparé ces conditions de marché à l’industrie pétrolière. La demande de pétrole a conduit à de nouvelles méthodes d’extraction et à de nouvelles technologies qui n’étaient pas commercialement viables auparavant. Nous avons encore beaucoup de recherche et développement à faire avant que l’extraction du lithium à partir de sources moins concentrées comme l’océan ne devienne plus économiquement viable. Cela dit, il y a certaines choses que nous pourrions faire qui pourraient atténuer les bosses en cours de route.

Recyclage du lithium

Le recyclage du lithium est le rêve des chercheurs et des ingénieurs. Quelques obstacles font obstacle à ce rêve, à savoir la conception pour le recyclage et la rentabilité. Contrairement aux batteries au plomb-acide, qui sont conçues avec le recyclage à l’esprit et atteignent un taux de recyclage d’environ 98% en masse, les batteries lithium-ion sont souvent axées sur l’adaptation à la taille et à la forme du produit dans lequel elles se trouvent. Le recyclage nécessite également un étiquetage pour le dire quelle chimie est la batterie, ce que les batteries lithium-ion ne font souvent pas. Contrairement au plomb-acide, les batteries au lithium ont des anodes et des cathodes de densité similaire, ce qui les rend difficiles à séparer pour le recyclage. Cela nécessite des étapes de séparation chimique ou magnétique complexes qui varient en fonction de la chimie de la batterie.

Cela dit, les universités s’efforcent d’améliorer le processus. Bien que leurs résultats soient incroyablement prometteurs, le problème demeure que le recyclage n’est pas encore économiquement viable. Le simple fait d’acheter les matières premières et de fabriquer de nouvelles batteries coûte moins cher que de recycler les anciennes.

Nouvelles technologies de batterie

Toutes les quelques années environ, une nouvelle technologie de batterie est présentée comme notre sauveur potentiel. Il semble que les promesses de nouvelles et meilleures batteries au coin de la rue sont tenues à nouveau chaque année. Nous avons couvert les prétendants actuels ainsi que certains arrivants prometteurs tels que le lithium-soufre et le lithium-céramique. Chacun promet des choses différentes comme une densité d’énergie plus élevée, une recharge plus rapide ou une plus grande respect de l’environnement. Bien que le consensus général soit que nous croirons le battage médiatique révolutionnaire de la batterie lorsque nous le voyons dans un produit de consommation, nous devons encore donner le crédit à tous les chercheurs et ingénieurs au cours des dernières décennies, créant le flux constant d’améliorations du lithium-ion. batterie.

Alors la prochaine fois que vous regarderez la petite batterie au lithium de votre projet ou la grande banque de 18650 cellules, prenez un moment pour apprécier d’où elles viennent et peut-être même vous demander ce qui va suivre.