Le lithium, le métal le plus léger du tableau périodique, est la clé de l’énergie propre

Le lithium, le métal le plus léger du tableau périodique, est la clé de l’énergie propre
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L'avenir du lithium est électrisant. Les voitures et les camions fonctionnant à l'aide de batteries au lithium plutôt que de combustibles fossiles sont, pour beaucoup de gens, l'avenir des transports. Les piles au lithium rechargeables jouent également un rôle crucial dans le stockage de l'énergie produite par les énergies solaire et éolienne, des sources d'énergie propres qui sont un gage d'espoir pour un monde inquiet de l'évolution rapide du climat mondial.

, alimentée par les attentes selon lesquelles la demande en batteries au lithium légères et rechargeables – pour alimenter les véhicules électriques, les téléphones portables, les ordinateurs portables et les installations de stockage d'énergie renouvelable – est sur le point de monter en flèche.

Même avant les voitures électriques, exploitées depuis des décennies pour des raisons qui n’avaient rien à voir avec les batteries. Grâce à ses propriétés physiques, le lithium est d’une utilité surprenante, pouvant être intégré à toutes sortes de produits, du verre résistant aux chocs aux médicaments. En 2018, ces produits représentaient près de la moitié de la demande mondiale de lithium, selon les analyses de la Deutsche Bank, basée à Francfort. Les piles pour les appareils électroniques grand public, tels que les téléphones portables ou les ordinateurs portables, représentaient environ 25% de la demande. Les véhicules électriques représentaient la majeure partie du reste.

300

pour cent

Augmentation estimée de la demande mondiale de lithium dans les 10 à 15 prochaines années

Cette décomposition va bientôt être renversée: d’ici à 2025, près de la moitié de la demande de lithium proviendra de l’industrie du véhicule électrique, selon certaines projections. La demande mondiale pour le métal devrait augmenter d'au moins 300% au cours des 10 à 15 prochaines années, en grande partie à cause de la forte augmentation des ventes de véhicules électriques. À l'heure actuelle, environ 2 millions de véhicules électriques sont en circulation dans le monde. d'ici 2030, ce nombre devrait atteindre plus de 24 millions, selon la société de recherche dans l'industrie Bloomberg New Energy Finance. Le géant des véhicules électriques, Tesla, est à la recherche du lithium dans le monde entier et a signé des accords pour obtenir du lithium auprès d’opérations minières aux États-Unis, au Mexique, au Canada et en Australie.

En conséquence, les prix du lithium sur les marchés mondiaux ont fléchi au cours des dernières années, avec une forte hausse en 2018 en raison des craintes selon lesquelles il ne resterait peut-être pas assez de métal. Mais ces scénarios sont probablement un peu dépassés, explique la géologue Lisa Stillings du US Geological Survey à Reno, au Nevada. Le lithium représente environ 0,002% de la croûte terrestre, mais en termes géologiques, il n’est pas particulièrement rare, selon Stillings. La clé, ajoute-t-elle, est de savoir où il se concentre suffisamment pour exploiter de manière rentable.

Pour répondre à cette question, les chercheurs étudient comment et où les forces du vent, de l'eau, de la chaleur et du temps se combinent pour créer de riches dépôts de métal. Ces endroits comprennent les bassins désertiques plats du «triangle de lithium» du Chili, de l'Argentine et de la Bolivie; des roches volcaniques appelées pegmatites en Australie, aux États-Unis et au Canada; et des argiles au lithium aux États-Unis.

La recherche de cet or blanc et de son extraction est également à l'origine de nouvelles recherches fondamentales en géologie, géochimie et hydrologie. Stillings et d'autres scientifiques étudient la formation d'argiles et de saumures, le déplacement possible du lithium entre les deux gisements lorsque ceux-ci se produisent dans le même bassin et la manière dont les atomes de lithium ont tendance à se positionner dans la structure chimique de l'argile.

À la recherche de sources plus simples

Le lithium, sous sa forme élémentaire, est doux, argenté et léger, avec une densité correspondant à la moitié de celle de l'eau. C’est le métal le plus léger du tableau périodique. L'élément a été découvert en 1817 par le chimiste suédois Johan August Arfwedson, qui analysait un minéral grisâtre appelé pétalite. Arfwedson a identifié de l’aluminium, du silicium et de l’oxygène dans le minéral, qui constituent ensemble 96% de la masse du minéral.

Il a déterminé que le reste de la pétalite était constitué d'éléments ayant des propriétés chimiques similaires à celles du potassium et du sodium. Les trois éléments sont hautement réactifs avec d'autres particules chargées, ou ions, pour former des sels, sont solides mais mous à la température ambiante, ont des points de fusion bas et ont tendance à se dissoudre facilement dans l'eau. En raison de leurs similitudes, ces éléments, ainsi que le rubidium, le césium et le francium, ont ensuite été regroupés sous le terme «métaux alcalins» (SN: 1/19/19, p. 18). L’affinité de Lithium pour l’eau permet d’expliquer comment elle se déplace dans la croûte terrestre et comment elle peut se concentrer suffisamment pour être exploitée.

La recette de base pour tout type de gisement riche en lithium comprend des roches volcaniques ainsi que beaucoup d’eau et de chaleur, bien mélangées par la tectonique active. Il existe dans le monde trois sources principales de lithium: les pegmatites, les saumures et les argiles.

La plupart des pegmatites sont un type de granite formé à partir de magma en fusion. Ce qui rend les pegmatites intéressantes, c’est qu’elles ont tendance à contenir un grand nombre d’éléments incompatibles, qui résistent le plus longtemps possible à la formation de cristaux solides. Les roches se forment lorsque le magma sous un volcan se refroidit très lentement. La composition chimique du magma évolue avec le temps. Lorsque des éléments sortent du liquide pour former des cristaux solides, d'autres éléments, comme le lithium, ont tendance à s'attarder dans le liquide, devenant de plus en plus concentrés. Mais finalement, même ce magma se refroidit et se cristallise, et les incompatibles sont enfermés dans la pegmatite.

Avant les années 1990, les pegmatites aux États-Unis étaient la principale source de lithium extrait. Mais extraire du minerai de lithium, principalement un minéral appelé spodumène, de la roche est coûteux. En plus du coût de l'exploitation minière réelle, la roche doit être concassée et traitée à l'acide et à la chaleur pour extraire le lithium sous une forme utile sur le plan commercial.

Dans les années 90, une source de lithium bien moins chère est devenue une option. Juste sous les plateaux de sel arides qui couvrent de vastes étendues du Chili, de l’Argentine et de la Bolivie, circulent des eaux souterraines salées enrichies en lithium. Les mineurs pompent l'eau salée à la surface, la séquestrant dans des étangs et la laissant s'évaporer au soleil. «Dame Nature effectue la majeure partie du travail, donc c’est vraiment bon marché», dit Stillings.

Après évaporation, il reste une saumure boueuse et jaunâtre. Pour extraire du lithium de qualité batterie sous des formes utiles dans le commerce, en particulier du carbonate de lithium et de l'hydroxyde de lithium, les mineurs ajoutent différents minéraux à la saumure, tels que le carbonate de sodium et l'hydroxyde de calcium. Les réactions avec ces minéraux entraînent la précipitation de différents types de sels dans la solution, produisant ainsi des minéraux de lithium.

Comparé à l'extraction de la pegmatite, le procédé d'extraction du lithium de la saumure est extrêmement bon marché. de ce fait, l’extraction de la saumure domine actuellement le marché du lithium. Mais à la recherche de plus de lithium, la prochaine génération de prospecteurs se tourne vers un troisième type de gisement: l'argile.

Les argiles sont des restes durcis de boue ancienne, produits par la lente décantation de minuscules grains de sédiment, tels que dans un lit de lac. Pour obtenir une argile enrichie en lithium, il faut les bons ingrédients de départ, en particulier des roches contenant du lithium telles que la pegmatite et les eaux souterraines en circulation. Les eaux souterraines lixivient le lithium des roches et le transportent dans un lac où il se concentre dans les sédiments.

Il s'avère que l'ouest des États-Unis possède tous les ingrédients nécessaires pour fabriquer une argile riche en lithium. En fait, en 2017 à Nature Communications, des chercheurs ont suggéré que certains anciens cratères de supervolcan qui sont devenus des lacs, tels que la caldera de Yellowstone,.

Sous l’Amérique du Nord se trouve un bassin de magma peu profond qui alimente le supervolcan de Yellowstone. Depuis environ 2 millions d'années, le volcanisme de Yellowstone se situe dans le nord-ouest du Wyoming (et constitue la pièce maîtresse du parc national de Yellowstone). Mais le point chaud de Yellowstone n’est pas immobile. Au cours des 16 millions d’années écoulées, alors que la plaque nord-américaine glissait lentement vers le sud-ouest, elle s’est déplacée sur le corps immobile et peu profond de magma, laissant une trace de cratères volcaniques s’étendant du Nevada à Yellowstone. McDermitt Caldera, l'un des plus anciens cratères connus de Yellowstone, est rempli d'eau, puis asséché, laissant derrière lui un véritable trésor d'argile riche en lithium. Lithium Americas Corp., de Vancouver, qui prévoit de commencer les opérations minières sur un site appelé Thacker Pass dans la caldera en 2022, estime qu’en 2025, le lit du lac pourrait fournir jusqu’à 25% du lithium mondial.

Aux États-Unis, dit Stillings, McDermitt est «une des très grandes ressources dont nous savons qu’il existe». Cependant, les argiles au lithium ont des obstacles à surmonter avant de pouvoir rivaliser avec les saumures. La récupération du minerai de lithium nécessite une exploitation à ciel ouvert, qui coûte plus cher que le pompage de la saumure. Et traiter l'argile pour en extraire le carbonate de lithium ou d'autres minéraux prêts à l'emploi est également coûteux. Lithium Americas et d’autres sociétés qui affirment avoir mis au point leurs propres procédés d’extraction propres et peu coûteux n’ont pas encore démontré qu’elles seraient compétitives face à l’extraction de la saumure.

or blanc

La plupart des sources de lithium du monde (orange) sont des mines de pegmatite en Australie et en Chine et des mines de saumure au Chili et en Argentine. Mais les projets miniers prévus (en bleu) signifient que la ruée vers le lithium va bientôt se propager aux États-Unis, au Canada et au Mexique.

Sources connues de lithium dans le monde

Source: USGS

Plusieurs autres types d'extraction de lithium peuvent être à l'horizon, dit Stillings. Les saumures riches en lithium peuvent également se former dans des régions géothermiques tectoniquement actives, où il y a beaucoup de chaleur dans le sous-sol. Les centrales géothermiques pompent déjà l’eau surchauffée pour générer de l’énergie, puis la réinjectent dans le sous-sol. Certaines installations expérimentent l'extraction d'autres éléments de la saumure ayant une valeur commerciale, notamment le lithium, le manganèse et le zinc. La fracturation hydraulique, ou fracturation hydraulique, implique également le pompage de saumures souterraines pouvant contenir de fortes concentrations de métaux dissous, y compris éventuellement du lithium. Bien que le lithium puisse ne pas être présent à des concentrations très élevées, l'extraction pourrait néanmoins présenter un intérêt économique, si elle est déjà un sous-produit de l'exploitation minière.

Recherche revitalisée

En décembre 2017, la Maison Blanche a publié un décret enjoignant au Département de l’intérieur des États-Unis d’intensifier ses recherches sur de nouvelles sources de certains «minéraux critiques», notamment les minerais porteurs de lithium. Citant l’économie et la sécurité nationale, l’ordre a chargé les scientifiques du gouvernement d’analyser chaque maillon des chaînes d’approvisionnement des minéraux, de l’exploration à la production en passant par l’exploitation minière, dans l’espoir de trouver de nouvelles sources à l’intérieur des frontières américaines.

Les États-Unis ne sont pas les seuls à rechercher le lithium. La Chine, l'Union européenne et d'autres sont à la recherche de nouvelles sources. En janvier, un consortium de chercheurs de l'UE a lancé une initiative de deux ans appelée l'Institut européen du lithium afin de devenir compétitif sur le marché du lithium.

Pour lancer cette nouvelle phase de la recherche sur le lithium, Stillings a participé à la réunion annuelle de l’American Geophysical Union à Washington, DC, en décembre dernier. «Nous aimerions comprendre comment le lithium passe à travers la croûte terrestre», déclare Stillings. «Le lithium est très soluble; il aime être en solution. Cependant, nous avons appris que, lorsqu’il se déplace dans la croûte, il interagit avec les argiles. "

Un élément polyvalent

Le lithium est utile pour beaucoup plus que les piles. Vous trouverez ci-dessous certains produits courants et les composés de lithium qu’ils contiennent.

Stabilisateur de l'humeur pour le trouble bipolaireLe lithium est utilisé depuis le milieu du XIXe siècle contre la goutte, en passant par les troubles mentaux. Pris sous forme de carbonate de lithium ou de citrate de lithium, le lithium est largement utilisé pour traiter la manie aiguë, un aspect du trouble bipolaire, depuis les années 1970.

Cependant, les scientifiques ne savent toujours pas pourquoi le traitement fonctionne. En raison de leur taille réduite, les particules chargées, ou les ions, de lithium peuvent remplacer les ions potassium, sodium ou calcium de certaines enzymes et de certains produits chimiques dans le cerveau. La substitution du lithium peut réduire la sensibilité de certains récepteurs, ce qui les rend moins susceptibles de se connecter aux produits chimiques cérébraux tels que la noradrénaline, connue pour être surabondante pendant la manie.

Produits de beauté: Le stéarate de lithium agit comme émulsifiant, empêchant les huiles et les liquides de se séparer dans les fonds de teint, les poudres pour le visage, les ombres à paupières et les rouges à lèvres. Lorsqu'il est ajouté aux crèmes pour le visage, un minéral doux et gras, appelé hectorite, contenant du lithium, maintient le produit lisse et étalable.

Applications militaires, industrielles, automobiles, aéronautiques et marines: Lorsqu'il est ajouté au pétrole, le stéarate de lithium crée une graisse lubrifiante épaisse, imperméable à l'eau et tolérante aux hautes et basses températures.

Batterie de cuisine résistant aux chocs et papier d'aluminium: Par rapport aux autres métaux alcalins, les atomes de lithium sont petits, en particulier à l'état chargé. Les ions lithium se dilatent relativement peu lorsqu'ils deviennent chauds. Par conséquent, l'ajout de carbonate de lithium au verre ou à la céramique peut rendre ces produits plus résistants et moins susceptibles de se briser à chaud.

Les isotopes du lithium – il en existe deux, le lithium 6 et le lithium 7 – sont un moyen de suivre cet échange. «C’est comme une empreinte digitale», explique Romain Millot, géologue au Service géologique français et à l’Université d’Orléans en France. Les différentes masses des deux isotopes influencent leur mouvement entre l’eau et la roche solide: le lithium-6 préfère quitter l’eau et se lier en grains d’argile, par rapport au lithium-7. Les isotopes se révèlent également utiles pour révéler les effets de l’altération, du débit d’eau et de la chaleur sur la concentration du lithium, explique M. Millot.

Comme l'eau est essentielle à la concentration du lithium, les chercheurs s'éloignent du cadre classique du «trouver le minerai», déclare Scott Hynek, géologue à l'USGS basé à Salt Lake City. Au lieu de cela, «nous adoptons une perspective plus proche du pétrole», dit-il. Les scientifiques recherchent non seulement où se trouvent les dépôts, mais également comment ils pourraient se déplacer: là où l'eau s'écoule, où le fluide riche en lithium pourrait être piégé sous une couche de roche dure et imperméable.

La prospection du lithium prend également une page du livre de jeu sur l’hydrologie, utilisant certains des outils classiques de ce commerce pour suivre la circulation des eaux souterraines à travers le sous-sol afin de déterminer les endroits où les gisements riches en lithium pourraient se retrouver. Les isotopes d'hydrogène, d'oxygène et d'hélium permettent de suivre la durée pendant laquelle les eaux souterraines ont traversé le sous-sol, ainsi que les types de roches avec lesquelles l'eau a été en contact.

Les défauts, par exemple, peuvent canaliser les eaux souterraines et peuvent donc jouer un rôle important dans la formation des dépôts de lithium. «C’est une question non résolue», déclare Hynek. «Ce sont des contrôles géologiques à grande échelle sur les débits d'eau riches en lithium.» Il a présenté des données lors du symposium de l'AGU suggérant que les concentrations de lithium les plus élevées dans un salar chilien connu sous le nom de Salar de Atacama se situent près de certaines lignes de faille. Cela, dit-il, suggère que les failles aident à canaliser les eaux souterraines et concentrent ainsi les dépôts.

Ne fais pas de mal

Un problème imminent pour l’extraction du lithium est que même une énergie «propre» n’est pas complètement propre. Extraire le lithium de son minerai et le convertir en une forme utilisable dans le commerce, tel que le carbonate de lithium ou l’hydroxyde de lithium, peut produire des déchets toxiques, qui peuvent fuir dans l’environnement. Les fuites de produits chimiques d’une mine de lithium sur le plateau tibétain en Chine ont à plusieurs reprises causé des ravages à l’environnement, tuant poissons et bétail qui buvaient dans une rivière proche.

Même lorsque Dame Nature accomplit une grande partie du travail, par exemple dans les bassins d'évaporation, des effets négatifs sur l'environnement peuvent en résulter. En Amérique du Sud, par exemple, le problème est l'approvisionnement en eau. Le triangle de lithium, qui inclut le Salar de Atacama, est l’un des endroits les plus secs du globe – et les mines consomment beaucoup d’eau. Et cela produit une confluence inquiétante d’événements. Aux abords des salines du salar de Atacama se trouve un habitat de nidification pour les flamants roses: des lagunes saumâtres remplies de crevettes à la saumure. «L'une des principales oppositions à cette activité minière est son impact potentiel sur les populations de flamants roses», explique Hynek. La même source d’eau dans les Andes, qui alimente le réservoir de saumure de lithium sous la surface, remplit également, en fin de compte, les lagunes.

En fait, la nappe phréatique est déjà en train de chuter dans certains endroits de la région et les communautés autochtones, ainsi que les autorités chiliennes et argentines, sont en état d'alerte, a déclaré Hynek. «Les autorités chiliennes craignent que les mineurs pompent tellement que les niveaux d'eau de la lagune vont également baisser.» En février, le Chili a annoncé de nouvelles restrictions sur les droits d'utilisation de l'eau pour les mineurs opérant à Salar de Atacama.

Qui est à blâmer fait l’objet de nombreux débats. Outre l'exploitation de la saumure de lithium, les mines de cuivre situées en hauteur dans les Andes – d'où proviennent les eaux souterraines – extraient une quantité importante d'eau du système. «Les flamants roses et les communautés autochtones sont littéralement coincés au centre», ajoute Hynek.

Ces grandes préoccupations environnementales pourraient entraver les perspectives futures de l'exploitation minière dans la région. «Vous faites la saumure dans la même zone que celle où vous préservez ces habitats importants pour la biodiversité», déclare David Boutt, hydrologue à l’University of Massachusetts Amherst.

Jusqu’à présent, peu de recherches ont été menées sur la façon dont l’eau se déplace dans le sous-sol dans des zones sèches à très faibles taux de précipitations, telles que le triangle du lithium en Amérique du Sud, ajoute Boutt. «Il y a beaucoup de questions sur la provenance de l'eau», telles que la variation du débit dans le sol. «La réponse de ces systèmes peut prendre beaucoup de temps» à des perturbations telles que le pompage des eaux souterraines.

Le retrait des eaux saumâtres pourrait ne pas se faire sentir avant des décennies peut-être. "Une préoccupation," dit Boutt, "est de savoir si nous attendrons 100 ans avant que quelque chose de grave ne se produise."


Cet article est paru dans le numéro du 11 mai 2019 de Actualités scientifiques avec le titre "À la recherche de lithium: le métal le plus léger du tableau périodique est la clé de l’avenir de l’énergie propre".

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