Les coûts impératifs et environnementaux de lithium en croissance

La transition mondiale vers le transport électrifié et le stockage d'énergie renouvelable a placé le lithium au centre de la chaîne d'approvisionnement en énergie propre. La demande de produits chimiques au lithium devrait croître à un rythme annuel composé supérieur à 20 % jusqu'en 2030, avec l'Agence internationale de l'énergie (AIE) estimant que la consommation annuelle de lithium pourrait atteindre plus de 2 millions de tonnes métriques d'ici la fin de la décennie si les objectifs climatiques sont atteints. Bien que le lithium soit abondant en brinés, en dépôts de roches durs et en argile, la majorité de la production actuelle provient de brinés du Triangle du lithium d'Amérique du Sud (Argentine, Bolivie, Chili) et de l'exploitation minière de roches durs en Australie.

Extraction directe de lithium: un fuite vers l'avant

Parmi les écarts les plus prometteurs avec la méthode d'évaporation conventionnelle, on peut citer Extraction directe de lithium (DLE).Le DLE n'est pas un procédé unique, mais une famille de technologies qui capturent sélectivement les ions lithium des brines d'une manière analogue à l'élimination d'un métal spécifique d'une solution mixte – souvent en heures ou en jours plutôt que pendant des mois. Il en résulte une solution de chlorure de lithium de haute pureté prête à être convertie en aval au carbonate de lithium ou à l'hydroxyde, tandis que la saumure restante (ou saumure après élimination minérale) peut être réinjectée dans l'aquifère.

DLE à base de membrane

Les technologies de membrane, en particulier la nanofiltration et l'osmose inverse, peuvent séparer le lithium des cations divalents (magnésium, calcium) abondants dans de nombreuses brillances. En concevant des membranes avec des pores et des charges de surface adaptés, qui intègrent souvent des polymères fonctionnels ou des revêtements d'oxyde de graphine, ces systèmes peuvent atteindre une sélectivité élevée en utilisant des pressions et des débits modérés. Des études pilotes récentes menées dans le Salar de Atacama (Chili) ont démontré que la récupération du lithium dépasse 90 % avec une co-extraction minimale d'ions concurrents. La consommation d'énergie des systèmes membranaires peut être aussi faible que 5-10 kWh par kilogramme de lithium, soit environ 30 à 50 % de moins que les méthodes de concentration thermique.

DLE basé sur l'adsorption

Les plus avancés sont les doubles hydroxydes de lithium-aluminium (LDH), connus sous le nom de procédé «LIS», qui a été utilisé par des entreprises comme Eramet et Adionics. Après avoir contacté la saumure avec le sorbant, le matériau chargé est lavé avec un petit volume d'eau douce ou d'acide doux pour en retirer le lithium, produisant une solution concentrée de chlorure de lithium avec moins de 1 % de contamination par le magnésium. Le sorbant est régénéré et réutilisé pendant des centaines de cycles. Les nouveaux sorbants comprennent les spinelles d'oxyde de manganèse, les oxydes de titane (analogues de sodium) et les matériaux à base de phosphate. L'avantage important des systèmes d'adsorption est leur capacité à manipuler les brillances à rapport magnésium-lithium élevé qui seraient non rentables pour le traitement par évaporation.

Extraction de solvants (SX)

L'extraction liquide-liquide utilise des solvants organiques (par exemple, bêta-dicétones, éthers de couronne, tributylphosphate) qui coordonnent sélectivement le lithium en phase saumure aqueuse et le transfèrent à une phase organique immiscible. Le solvant chargé au lithium est ensuite dépouillé d'acide ou d'alcali. Ce procédé, utilisé depuis longtemps en hydrométallurgie, est adapté aux brinces de lithium par des entreprises comme Tenova et Pure Energy Minerals. L'extraction de solvants offre une cinétique rapide et des taux de récupération élevés, des taux supérieurs à 95 %, mais l'utilisation de solvants organiques soulève des préoccupations quant à la libération environnementale et à la sécurité opérationnelle.

DLE électrochimique

Les méthodes électrochimiques utilisent un potentiel appliqué pour entraîner des ions lithium à travers une membrane sélective ou une électrode d'intercalation. Par exemple, les matériaux d'électrode au lithium fer (PFT) peuvent être soumis à un cycle entre LiFePO4 et FePO4, captant le lithium de saumure pendant la décharge et le libérant pendant la charge dans un électrolyte propre. Cette approche permet d'obtenir une très grande sélectivité et peut produire une solution au lithium de plus de 99,9 % en une seule étape. Les besoins énergétiques sont faibles (environ 1–2 kWh/kg Li) parce que la force motrice est électrochimique plutôt que thermique ou sous pression.

Extraction bio-basée: exploiter la nature

Les approches biotechnologiques de l'extraction du lithium s'appuient sur la capacité de certains microorganismes et de certaines installations à accumuler des métaux de la solution. Ces méthodes sont intrinsèquement de faible énergie, fonctionnent souvent à la température et à la pression ambiantes et produisent un minimum de déchets chimiques.

Mécanismes de bioléachage

La bioleachage au lithium utilise des bactéries telles que Acidithiobacillus ferrooxidans et Leptospirillum ferrooxidans qui sont déjà utilisés dans l'extraction du cuivre et de l'or. Ces microbes oxydent le fer et le soufre, générant du fer fer ferrique et de l'acide sulfurique qui peuvent solubiliser le lithium à partir de substrats solides comme le spodumène (un silicate de lithium-aluminium). Pour les brinés, le défi est différent : le lithium est déjà en solution, mais les microbes peuvent produire des ligands organiques qui chélate sélectivement le lithium, améliorant la récupération des brinés qui ont des concentrations élevées en ions de fond.

Phytominer et microalgues

Certaines plantes hyperaccumulables, comme Echinolaelia auris de la région d'Atacama, peuvent concentrer le lithium dans leurs tissus à des niveaux allant jusqu'à 2000 ppm. Les chercheurs explorent la culture contrôlée de telles plantes dans des systèmes hydroponiques alimentés en brinés, une approche appelée phytominage. Après la récolte, la biomasse est séchée et assombrie pour récupérer le lithium. Bien que l'efficacité soit actuellement faible (quelques kilogrammes de lithium par hectare par année), la méthode est entièrement renouvelable et pourrait être adaptée pour le traitement de la saumure en fin de vie ou comme une étape de polissage.

Innovations en matière de chaleur et d'évaporation

Même dans le cadre du paradigme de l'évaporation, des améliorations significatives sont apportées pour réduire la consommation d'eau et l'utilisation d'énergie. Au lieu de se fier uniquement à l'évaporation solaire dans les bassins ouverts, les systèmes hybrides utilisent la recompression mécanique de vapeur (MVR) ou la chaleur géothermique de faible qualité pour accélérer la concentration. MVR utilise un compresseur pour augmenter la pression et la température de la vapeur d'un évaporateur, et la chaleur latente est recyclée dans le processus. Cela réduit la consommation de vapeur de 80 à 90 % par rapport à l'évaporation thermique conventionnelle.

Mesure de durabilité et évaluation du cycle de vie

[L'évaluation du cycle de vie (LCA) doit tenir compte de la consommation d'eau, de la combinaison d'énergie, de l'utilisation des terres, des intrants chimiques et de la production de déchets.[LCA 2023 publié dans ]Nature Sustainability[] a comparé l'évaporation conventionnelle avec deux procédés DLE (adsorption et membrane) pour une saumure andine typique. Les résultats ont montré que DLE réduisait de 70 à 80 % la consommation nette d'eau, réduisait les émissions de gaz à effet de serre de 40 à 55 % (en supposant que le réseau soit alimenté à 20 % en énergie renouvelable) et réduisait l'empreinte du sol de 95 %.

Surmonter les obstacles à l'échelle

Malgré cette promesse, aucune technologie émergente n'a encore atteint l'échelle pour remettre en question le processus dominant de soda à évaporation-lime, qui représente encore environ 60% de la production mondiale de lithium. La voie vers la maturité commerciale se heurte à plusieurs obstacles bien documentés.

Viabilité économique et tendances des coûts

Les coûts d'exploitation sont similaires ou légèrement plus élevés, bien que le cycle de production plus court de DLE (jours par rapport aux mois) puisse améliorer l'économie des projets en réduisant le capital de travail. À mesure que les volumes de production augmentent et que la technologie s'améliore, les experts prévoient la parité des coûts d'ici 2027-2030. L'utilisation de ou de la chaleur résiduelle provenant de procédés industriels voisins (p. ex., les fonderies de cuivre) peut réduire encore les coûts d'exploitation. De plus, DLE peut débloquer des ressources qui sont actuellement peu rentables, les brins de magnésium, les brins géothermiques profonds et les eaux produites par les champs pétrolifères, en augmentant la base mondiale de ressources en lithium d'environ 40 %.

Intégration avec les infrastructures existantes

De nombreux projets de lithium sont situés dans des régions arides et éloignées, avec une puissance et une infrastructure hydrique limitées. Des systèmes DLE pouvant fonctionner hors réseau à l'aide de panneaux photovoltaïques solaires et de stockage de batteries sont en cours de conception. Par exemple, le concept de batterie de flux de lithium-sulfur développé par une startup stocke l'énergie solaire excédentaire pendant la journée pour alimenter DLE la nuit.

Considérations réglementaires et communautaires

L'extraction durable n'est pas seulement un défi technique; la licence sociale d'exploitation est tout aussi critique. Les communautés autochtones du Triangle du Lithium ont soulevé des préoccupations au sujet de l'épuisement de l'eau et de la dégradation de l'environnement résultant des opérations traditionnelles des bassins. La faible empreinte hydrique et la capacité de réinjecter la saumure peuvent contribuer à atténuer ces impacts. Cependant, la technologie doit être mise en œuvre de manière transparente, avec la surveillance participative[ des niveaux de l'aquifère et de la qualité de l'eau. Aux États-Unis, le développement des brinures géothermiques dans la mer de Salton KGRA (zone de ressource géothermique connue) fait l'objet d'un examen attentif sur l'utilisation de l'eau et la sismicité; les processus DLE qui peuvent fonctionner avec une eau douce minimale et aucune réinjection de saumure sous la roche du réservoir sont favorisés par les régulateurs.

Perspectives et collaboration futures

Les cinq prochaines années seront décisives pour la transition vers l'extraction durable du lithium.Les analystes de Benchmark Mineral Intelligence projet que DLE représentera 35 à 40 % de la production primaire de lithium saumuré d'ici 2030, en hausse par rapport à moins de 5 % aujourd'hui. Pour y parvenir, il faudra investir de façon soutenue dans la recherche, la mise à l'échelle pilote à commerciale et la collaboration intersectorielle.Les partenariats entre les développeurs de lithium, les constructeurs automobiles et les laboratoires nationaux – mis en œuvre par le département américain de l'énergie Le programme Lithium Resource and Extraction (LRE)[ – sont un instrument pour débusquer les nouvelles technologies.