Le lithium : polluer l' »or blanc » pour sauver la planète?

Arturo Peñas Jiménez

Ingénieur des mines. Énergie

Laïque clarétain

Propriétés du lithium

Le lithium (Li) est un élément chimique qui appartient au groupe des métaux alcalins. Avec une densité de 0,53 g/cm³, c’est le métal le plus léger à l’état solide à température ambiante. Il possède le potentiel électrochimique le plus élevé de tous les métaux et une excellente conductivité électrique et thermique. En raison de sa forte réactivité, il n’est pas présent en tant que métal natif, mais sous forme de chlorure dans l’eau de mer et la saumure, ainsi que sous forme de composés minéraux inertes, tels que les silicates ou les phosphates.

Les propriétés physico-chimiques du Li le rendent difficilement substituable à d’autres éléments, et essentiel pour le développement de nombreuses applications industrielles. Les concentrés de lithium sont utilisés dans l’industrie du verre et de la céramique et dans la coulée continue de l’acier. Le lithium métal est utilisé en métallurgie et dans la fabrication d’alliages avec l’aluminium. Le carbonate de lithium est utilisé dans le traitement pharmacologique des troubles bipolaires, de la dépression et d’autres pathologies. L’hydroxyde de lithium est un composant essentiel dans la fabrication des lubrifiants et est également utilisé pour purifier l’air en éliminant le CO₂ de l’environnement. Le carbonate de lithium et l’hydroxyde de lithium sont de plus en plus utilisés dans la fabrication de batteries rechargeables pour les véhicules électriques et les équipements électroniques portables.

Grâce à l’essor de ces technologies, le lithium a un rôle majeur à jouer pour faire évoluer la planète vers un avenir où les émissions de gaz à effet de serre seront faibles ou nulles.

Marché du lithium

La croissance du marché du lithium sera stimulée par l’augmentation du nombre de véhicules hybrides et électriques. Les prévisions de croissance de la demande sont spectaculaires, avec des taux de 20% par an.

Selon le United States Geological Survey (USGS), il existe environ 80 millions de tonnes de réserves identifiées dans le monde jusqu’en 2019. C’est presque 30% de plus que l’année précédente. Cependant, bon nombre des pays disposant des plus grandes réserves connues n’ont pas encore commercialisé cette ressource.

Les deux tiers du lithium mondial se trouvent dans le triangle sud-américain du lithium (Argentine, Chili et Bolivie), ainsi qu’en Australie. Des travaux sont en cours pour trouver de nouvelles réserves ou améliorer la technologie afin de mettre en production certains gisements difficiles à traiter, comme ceux du Nevada (États-Unis). Dans le désert d’Atacama, avec ses grandes étendues de terre, il existe des réserves pour 50 ans en traitant les saumures chiliennes.

La plupart du lithium est obtenu à partir de mines à ciel ouvert ou d’eau salée contenant du lithium sous forme de saumures. Dans ce dernier cas, l’eau salée est pompée dans de grands bassins où elle s’évapore au soleil. Les effets de ces processus sur l’environnement peuvent être importants. L’exploitation à ciel ouvert et la méthode des mines de sel peuvent toutes deux entraîner une pollution potentielle et une forte consommation d’eau, en particulier dans les régions qui souffrent déjà de sécheresse et de désertification. En revanche, ils prennent beaucoup de place.

Les investisseurs s’inquiètent des cadres réglementaires prévus par les pays du Triangle, avec des changements possibles dans leur législation. En Bolivie, une nouvelle loi sur l’exploitation minière a été promulguée en 2014 et modifiée en 2018, en Argentine, certains représentants ont demandé une intervention dans le secteur pour créer une société minière nationale, et les nouvelles autorités chiliennes pourraient imposer de nouveaux tarifs et exiger des exigences environnementales plus élevées de l’exploitation minière.

L’Australie est le plus grand producteur et exportateur de concentrés de lithium, extraits de silicates de « roche dure ».

Dans l’Union européenne, la dépendance à l’égard des importations de concentrés de lithium est proche de 87 %, seul le Portugal ayant une production stable de lithium. En outre, l’UE est totalement dépendante des importations de composés transformés car aucun de ses pays ne réalise de processus de raffinage. L’UE recycle les batteries au lithium-ion, bien que cela ne soit pas considéré comme économiquement viable pour le moment.  

Le risque d’un manque d’approvisionnement dû à la dépendance absolue d’un très petit nombre de pays qui contrôlent la production a conduit l’UE à la nécessité de connaître ses gisements, afin de définir des stratégies. Ces études ont permis d’établir une ressource communautaire déclarée de 9 millions de tonnes d’oxyde de lithium. Cette quantité a été calculée en tenant compte de 27 dépôts potentiels dans des pays de l’UE tels que le Portugal, l’Espagne, la République tchèque, la France, l’Allemagne, l’Autriche et la Finlande ; à cela s’ajoutent l’Ukraine et la Serbie hors de l’UE.

Toutes les entreprises du secteur augmentent leur capacité de production de lithium. La Chine, en plus d’être un producteur majeur de Li, est le plus grand importateur mondial de ce métal, à la fois sous forme concentrée et transformée, et domine la production de raffinage et la plupart de la fabrication de batteries lithium-ion dans le monde. Ces dernières années, les entreprises chinoises ont effectué des achats à coups de millions de dollars pour fournir suffisamment de projets à leur industrie nationale, de sorte qu’elles ont monopolisé la majeure partie du métal disponible, faisant grimper les prix de leurs différents produits tels que l’hydroxyde de lithium et le carbonate de lithium.

Alternatives possibles au lithium

Le principal inconvénient des batteries au lithium est que les matériaux dont elles sont constituées (cobalt et lithium) sont rares et chers. Avec l’augmentation de la demande de véhicules électriques et d’installations fixes de stockage de l’électricité, ces matériaux deviendront plus difficiles à obtenir et leur prix augmentera.

Une équipe de recherche de l’université d’État de Washington (WSU) a créé une batterie sodium-ion qui, dans la pratique, est capable d’égaler les performances des batteries lithium-ion. Les résultats sont les plus prometteurs à ce jour pour une batterie utilisant cette technologie. En laboratoire, cette batterie a permis de résoudre les deux inconvénients de cette technologie : la capacité énergétique et la rechargeabilité. Il a pu stocker autant d’énergie que les batteries lithium-ion et conserver plus de 80 % de sa capacité après 1 000 cycles de charge/décharge.

Les batteries sodium-ion pourraient bientôt constituer une alternative économique et viable aux batteries lithium-ion. Le sodium est un matériau qui provient des océans ou de la croûte terrestre. Il est donc bon marché, abondant et durable, ce qui en fait un candidat idéal pour le stockage d’énergie à grande échelle.

Malheureusement, elles n’ont pas autant d’énergie que les piles au lithium et présentent également des problèmes de dégradation lorsqu’il s’agit de les charger et de les décharger. Le principal inconvénient de certains des matériaux cathodiques les plus prometteurs est qu’une couche de cristaux de sodium inactifs s’accumule à la surface de la cathode, bloquant le flux d’ions sodium et détruisant par conséquent la batterie.

Dans le cadre des travaux de recherche, une cathode d’oxyde métallique en couches et un électrolyte liquide comprenant des ions sodium supplémentaires ont été créés, créant un milieu salin qui améliore l’interaction avec la cathode. La conception favorise le mouvement continu des ions sodium, empêchant l’accumulation de cristaux inactifs à la surface et permettant une production continue d’électricité. Les recherches se poursuivent pour mieux comprendre l’interaction entre le nouvel électrolyte et la cathode, afin de pouvoir utiliser différents matériaux pour améliorer la conception de la batterie. L’objectif est également de parvenir à une batterie qui se passe totalement de cobalt, un matériau également rare et cher à obtenir.

Annexe : Le lithium en Espagne

Il existe des gisements de lithium en Espagne, situés en Galice, en Estrémadure et en Castilla-León. Depuis 2011, il n’y a plus d’exploitation active de lithium. La dernière production est celle de la mine Feli (La Fregeneda-Salamanca). Il s’agissait d’un gisement de feldspath et de lépidolite. 

Bien qu’il n’y ait pas de mines actives pour l’extraction du Li, des projets d’exploration sont menés pour ce métal, avec des estimations des ressources et des réserves. Certains de ces projets ont pour nouveauté la production d’hydroxyde de lithium raffiné, pour laquelle il existe actuellement une dépendance extérieure totale.

Si ces ressources minières étaient utilisées, ainsi que les usines de voitures électriques et de batteries déjà en activité, toute la chaîne de valeur de la mobilité électrique pourrait être établie en Espagne. La Commission européenne a souligné l’importance stratégique que ces projets d’extraction de lithium pourraient avoir pour le développement de l’industrie automobile.

Cependant, une partie de la société, motivée par sa sensibilité à l’environnement, rejette l’exécution des projets miniers, empêchant ainsi le développement de cette activité dans l’environnement immédiat. Il convient de noter que les pays de l’UE ont une législation très restrictive en matière d’exploitation minière et qu’il n’est pas possible de démarrer une mine si elle ne garantit pas l’ordre économique, social, culturel et environnemental du territoire.

S. José Valdeflórez. Cáceres. España.

Bien que le recyclage et la réutilisation doivent jouer un rôle fondamental à l’avenir, pour satisfaire la demande actuelle, l’exploitation minière est nécessaire. La société doit décider si elle veut exploiter les ressources de manière responsable et réduire la forte dépendance du secteur à l’égard des importations, ou laisser les gisements inexploités et continuer à acheter les matières premières nécessaires à la transition écologique à d’autres pays producteurs, au prix fixé par les marchés internationaux.

Arturo Peñas Jiménez

Ingénieur des mines. Énergie

Laïque clarétain