Une nouvelle technologie permet d’extraire le lithium des saumures de manière économique et durable

Une nouvelle technologie permet d’extraire le lithium des saumures à un coût estimé à moins de 40 % de celui de la méthode d’extraction dominante actuelle et à seulement un quart du prix actuel du lithium sur le marché. La nouvelle technologie serait également beaucoup plus fiable et durable dans son utilisation de l’eau, des produits chimiques et des terres que la technologie actuelle, selon une étude publiée dans Matière par des chercheurs de l’Université de Stanford.

La demande mondiale de lithium a explosé ces dernières années, stimulée par l’essor des véhicules électriques et du stockage des énergies renouvelables. La principale source d’extraction du lithium repose aujourd’hui sur l’évaporation de saumures dans d’immenses bassins exposés au soleil pendant un an ou plus, laissant derrière elle une solution riche en lithium, après quoi une utilisation massive de produits chimiques potentiellement toxiques termine le travail. L’eau à forte concentration de sels, dont le lithium, est présente naturellement dans certains lacs, sources chaudes et aquifères, et est un sous-produit des opérations pétrolières et gazières et du dessalement de l’eau de mer.

De nombreux scientifiques recherchent des méthodes d’extraction du lithium moins coûteuses, plus efficaces, plus fiables et plus respectueuses de l’environnement. Il s’agit généralement d’une extraction directe du lithium qui contourne les grands bassins d’évaporation. La nouvelle étude présente les résultats d’une nouvelle méthode utilisant une approche connue sous le nom d’« électrodialyse à couplage redox » (RCE), ainsi que des estimations de coûts.

« Les avantages en termes d’efficacité et de coût inhérents à notre approche en font une alternative prometteuse aux techniques d’extraction actuelles et un potentiel changement de donne pour la chaîne d’approvisionnement en lithium », a déclaré Yi Cui, auteur principal de l’étude et professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’École d’ingénierie.

L’équipe de recherche estime que son approche coûte entre 3 500 et 4 400 dollars par tonne d’hydroxyde de lithium de haute pureté, qui peut être converti à moindre coût en carbonate de lithium de qualité batterie, contre environ 9 100 dollars par tonne pour la technologie dominante d’extraction du lithium à partir de saumure. Le prix actuel du marché du carbonate de lithium de qualité batterie est de près de 15 000 dollars par tonne, mais une pénurie fin 2022 a fait grimper le prix volatil du marché du lithium à 80 000 dollars.

Répondre à une demande croissante

Le lithium a jusqu’à présent joué un rôle essentiel dans la transition mondiale vers une énergie durable. Selon un rapport de McKinsey & Co, la demande de lithium devrait passer d’environ un demi-million de tonnes en 2021 à environ 3 à 4 millions de tonnes d’ici 2030. Cette forte augmentation est principalement due à l’adoption rapide des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie renouvelable, qui dépendent tous deux fortement des batteries.

Traditionnellement, le lithium est extrait de roches extraites de mines, une méthode encore plus coûteuse, plus énergivore et utilisant des produits chimiques toxiques que l’extraction par saumure. En conséquence, la méthode dominante d’extraction du lithium aujourd’hui est l’évaporation des saumures des lacs salés, bien que cela reste à un coût financier et environnemental élevé. Cette méthode dépend également fortement de conditions climatiques spécifiques qui limitent le nombre de lacs salés commercialement viables, ce qui met en doute la capacité de l’industrie du lithium à répondre à la demande croissante.

La nouvelle méthode de Cui et de son équipe utilise l’électricité pour déplacer le lithium à travers une membrane électrolytique à l’état solide, de l’eau à faible concentration de lithium vers une solution plus concentrée et de haute pureté. Chacune d’une série de cellules augmente la concentration de lithium jusqu’à une solution à partir de laquelle l’isolement chimique final est relativement facile. Cette approche utilise moins de 10 % de l’électricité requise par la technologie actuelle d’extraction de saumure et présente une sélectivité au lithium de près de 100 %, ce qui la rend très efficace.

« Les avantages de notre approche par rapport aux techniques conventionnelles d’extraction du lithium renforcent sa faisabilité dans le cadre d’une production de lithium respectueuse de l’environnement et rentable », a déclaré Rong Xu, co-auteur principal de l’étude, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Cui, aujourd’hui membre du corps enseignant de l’université Jiaotong de Xi’an en Chine. « À terme, nous espérons que notre méthode fera progresser de manière significative les transports électriques et la capacité de stockage de l’énergie renouvelable. »

Coûts et avantages environnementaux

L’étude comprend une brève analyse technico-économique comparant les coûts de l’extraction actuelle du lithium à ceux de l’approche RCE. La nouvelle méthode devrait être relativement peu coûteuse, principalement en raison des coûts d’investissement plus faibles. Elle élimine le besoin de bassins d’évaporation solaire à grande échelle, qui sont coûteux à construire et à entretenir. La nouvelle méthode utilise beaucoup moins d’électricité, d’eau et d’agents chimiques, outre les avantages en termes de durabilité, ce qui réduit encore davantage les coûts.

En évitant l’utilisation extensive des terres et la consommation d’eau des méthodes traditionnelles, l’approche RCE réduit également l’empreinte écologique de la production de lithium.

La méthode RCE fonctionne avec une variété d’eaux salines, notamment celles qui présentent des concentrations variables de lithium, de sodium et de potassium. Des expériences menées dans le cadre d’une étude ont montré que la nouvelle technologie pouvait extraire le lithium, par exemple, des eaux usées résultant de la production pétrolière. Elle pourrait potentiellement être utilisée pour extraire le lithium de l’eau de mer, qui présente des concentrations de lithium plus faibles que les saumures. L’extraction du lithium de l’eau de mer à l’aide de méthodes conventionnelles n’est pas commercialement viable aujourd’hui.

« Les techniques d’extraction directe du lithium comme la nôtre sont en cours de développement depuis un certain temps. Les principales technologies concurrentes à ce jour présentent des inconvénients majeurs, comme l’incapacité à fonctionner en continu, des coûts énergétiques élevés ou une efficacité relativement faible », a déclaré Ge Zhang, chercheur postdoctoral à Stanford et co-auteur de l’étude. « Notre méthode ne semble présenter aucun de ces inconvénients. Son fonctionnement continu pourrait contribuer à un approvisionnement en lithium plus fiable et à calmer le marché volatil du lithium. »

Regard vers l’avenir

L’évolutivité de la méthode RCE est également prometteuse. Dans les expériences où l’échelle du dispositif a été multipliée par quatre, la méthode RCE a continué à bien fonctionner, avec une efficacité énergétique et une sélectivité au lithium restant très élevées.

« Cela suggère que la méthode pourrait être appliquée à l’échelle industrielle, ce qui en ferait une alternative viable aux technologies d’extraction actuelles », a déclaré Cui.

Néanmoins, l’étude met en évidence certains domaines de recherche et de développement supplémentaires. Les chercheurs ont expérimenté deux versions de leur méthode. L’une extrait le lithium plus rapidement et consomme plus d’électricité. L’autre est plus lente et consomme moins d’électricité. L’extraction plus lente entraîne des coûts plus faibles et une membrane plus stable pour extraire le lithium en continu et pendant une longue période, par rapport à l’extraction plus rapide. Sous des densités de courant élevées et un débit d’eau plus rapide, les membranes se dégradent, ce qui entraîne une réduction de l’efficacité au fil du temps.

Même si cela n’a pas été démontré lors de l’expérience d’extraction plus lente, les chercheurs souhaitent optimiser la conception de leur dispositif pour une extraction potentiellement plus rapide. Ils testent déjà d’autres matériaux prometteurs pour la membrane.

De plus, les chercheurs n’ont pas démontré l’extraction du lithium de l’eau de mer dans cette étude.

« En principe, notre méthode est également applicable à l’eau de mer, mais il pourrait y avoir des problèmes de stabilité de la membrane dans l’eau de mer », a déclaré Zhang.

Malgré tout, l’équipe reste plutôt optimiste.

« Alors que nos recherches se poursuivent, nous pensons que notre méthode pourrait bientôt passer du laboratoire à des applications industrielles à grande échelle », a déclaré Xu.