Cette vue plongeante montre un étang de saumure de lithium au Chili.
Les nouvelles technologies doublent la production tout en réduisant les dommages environnementaux
Haut dans les Andes, à l’intersection des frontières de l’Argentine, de la Bolivie et du Chili, des étendues blanches de sel s’étendent sur des centaines de kilomètres. Sous ces plaines se trouvent des réservoirs d’eau qui contiennent environ les trois quarts du lithium mondial .
Pendant des décennies, les producteurs ont extrait ce lithium en pompant l’eau jusqu’à la surface et en la laissant s’évaporer jusqu’à ce que les sels de lithium soient suffisamment concentrés pour être filtrés. Le processus prend plus d’un an, laissant derrière lui des tas de déchets contenant d’autres métaux. Cela draine également près de 2 millions de litres des ressources en eau locales , nuisant ainsi aux communautés autochtones .
Avec l’accélération des marchés des véhicules électriques et du stockage d’énergie, la demande de lithium sera multipliée par plus de 40 d’ici 2040, selon le Cleantech Group . Pour suivre le rythme, de nombreuses entreprises développent désormais des procédés permettant de filtrer chimiquement ou physiquement le lithium des saumures et de réinjecter la saumure sous terre.
Ces technologies d’extraction directe du lithium (DLE) prennent des heures au lieu de plusieurs mois et pourraient doubler la production de lithium à partir des opérations de saumure existantes. Tout comme l’extraction de schiste l’a fait pour le pétrole, le DLE est une « technologie potentiellement révolutionnaire pour l’approvisionnement en lithium », car elle pourrait débloquer de nouvelles sources de lithium, selon un récent rapport de Goldman Sachs.
Mais contrairement aux risques liés à la fracturation de schiste, le DLE apporte des avantages environnementaux, en réduisant l’utilisation des terres et de l’eau, ainsi que les déchets.
«Nous pompons la saumure, retirons uniquement le lithium et la remettons sous terre», explique Jeremy Patt , directeur de la technologie chez Summit Nanotech, basé à Calgary au Canado. « L’objectif est de ne pas ajouter de produits chimiques ni modifier la température ou le pH des saumures. Vous obtenez ainsi plus de lithium avec un minimum de perturbations.«
Dans l’usine pilote d’extraction directe du lithium de Summit Nanotech, dans le désert d’Atacama au Chili, les réservoirs derrière la remorque d’équipement contiennent les saumures de six clients du programme pilote pour l’extraction du lithium.
Summit fait partie d’une douzaine de jeunes entreprises qui testent de nouveaux processus DLE dans l’intention d’une production commerciale dès 2025. Les principaux producteurs mondiaux de lithium, Albemarle et SQM , prévoient de tester leurs propres technologies DLE cette année. En Chine, une poignée de projets commerciaux utilisent déjà la technologie de l’innovateur chinois DLE SunResin .
Les constructeurs automobiles, quant à eux, font la queue pour garantir l’approvisionnement en lithium DLE : GM soutient EnergyX , basé à Austin, au Texas, et le fournisseur de lithium de Tesla , Livent , qui possède une usine DLE en Argentine, tandis que BMW a investi dans Livent et dans la start-up californienne Lilac Solutions . L’annonce du Chili en avril selon laquelle tous les nouveaux projets de lithium devront utiliser le DLE pourrait accélérer la commercialisation des technologies DLE.
La plupart des projets DLE reposent aujourd’hui sur l’adsorption. L’idée est de piéger les molécules de lithium à la surface de minuscules billes constituées de matériaux et de structures physiques soigneusement choisis. La plupart des entreprises utilisent aujourd’hui une variante des adsorbants à base d’aluminium inventés il y a 60 ans.
Les particules à base d’aluminium de Summit Nanotech sont très poreuses et leur surface est conçue pour interagir électroniquement avec les ions lithium, explique Jeremy Patt. Les pores ont des diamètres comparables à ceux des ions lithium, ce qui les aide à capter plus de 90 % du lithium de la saumure; l’évaporation traditionnelle n’en récupère qu’environ 40 pour cent.
Summit pompe la saumure à travers des colonnes de plusieurs dizaines de pieds de haut et plusieurs pieds de large qui contiennent le sorbant. Une fois l’adsorbant chargé en lithium, le métal est lavé à l’eau tiède, laissant le sorbant être réutilisé et l’eau recyclée. « Nos processus exclusifs de récupération des sorbants et de l’eau sont nos deux principaux piliers technologiques », explique Patt.
Au cours des cinq années qui ont suivi sa création, Summit a intensifié sa technologie et l’a intégrée dans une usine pilote à Santiago, au Chili, où elle a transporté la saumure par camions, dit-il. Elle construit actuellement une usine de démonstration qui traitera 25 mètres cubes de saumure par jour et élabore les plans de sa première usine commerciale.
Livent et SunResin utilisent leurs propres absorbants d’aluminium. Trois producteurs chinois de lithium utilisent la technologie de SunResin depuis 2017, et cinq autres projets sont en cours , selon Goldman Sachs.
Livent, cependant, a été la première à avoir déployé le DLE commercialement en 1998. L’entreprise concentre les saumures dans de petits étangs avant de les faire passer par le processus DLE, en utilisant moins de terre et d’eau que les étangs d’évaporation traditionnels. L’entreprise a augmenté sa production à 27 000 tonnes par an en 2019 et prévoit d’en produire 50 000 tonnes supplémentaires par an d’ici 2026.
La startup californienne Lilac Solutions adopte une approche différente du DLE appelée échange d’ions. L’entreprise utilise de minuscules billes qui ressemblent à des billes absorbantes mais se comportent de manière totalement différente, explique le PDG David Snydacker . Les billes absorbent le lithium en échange d’un ion hydrogène. L’entreprise utilise ensuite un acide dilué pour éliminer le lithium.
L’échange d’ions est un processus courant, utilisé à des fins quotidiennes, comme dans les adoucisseurs d’eau domestiques. Mais développer un matériau échangeur d’ions pour le lithium a été « un Saint Graal », déclare David Snydacker.
« Depuis 20 ans, les grandes entreprises tentent de faire fonctionner l’échange d’ions. » Seuls les matériaux céramiques peuvent absorber le lithium avec une sélectivité élevée, mais le défi consiste à fabriquer une céramique durable qui puisse survivre aux lavages à la saumure et à l’acide. Bien que les précédents matériaux échangeurs d’ions en céramique se soient dégradés après seulement 10 cycles, dit-il, le matériau de Lilac dure plus de 2 000 cycles. »
Le développeur australien de lithium, Lake Resources, teste actuellement la technologie de Lilac sur deux sites de projets éloignés, et Ford a signé un accord pour acheter 25 000 tonnes de lithium par an dans l’un de ces projets. Snydacker indique que Lilac est en train d’installer une troisième usine pilote sur « l’une des plus grandes ressources de lithium au monde » et qu’elle annoncera d’autres grands projets clients dans les mois à venir.
Les sociétés pétrolières et gazières du Canada et des États-Unis extraient régulièrement de l’eau salée contenant du lithium, mais ces eaux ne contiennent que 30 à 40 milligrammes de lithium par litre, soit seulement 3 à 4 % de la quantité contenue dans les saumures du Chili. C’est tout simplement trop peu pour que les adsorbants d’aujourd’hui puissent l’attraper, déclare Alex Wylie , président et chef de la direction de la startup Volt Lithium de Calgary .
L’équipement de l’usine pilote de Volt Lithium traite la saumure avant d’entrer dans le processus d’extraction directe du lithium (DLE en anglais : Direct Lithium Extraction).
Pour exploiter ces saumures de champs pétrolifères, Volt Lithium a développé des billes de 5 micromètres de large d’un composé adsorbant le lithium qu’ils exposent à des saumures dont ils éliminent d’abord les autres contaminants. « Les billes sont beaucoup plus petites que les particules utilisées par d’autres sociétés, dit-il, « nous disposons donc de 800 fois plus de surface, ce qui nous permet d’extraire des eaux à faible concentration ».
Des tests pilotes récents pour le projet Rainbow Lake Lithium de Volt, dans le nord-ouest de l’Alberta, montrent que le matériau peut extraire 90 pour cent du lithium de l’eau avec des concentrations aussi faibles que 34 milligrammes par litre. Les tests ont été effectués dans l’usine pilote de l’entreprise à Regina, en Saskatchewan au Canado. Volt Lithium construit actuellement une usine de démonstration qui testera les saumures provenant de toute l’Amérique du Nord, explique Wylie.
L’équipe de l’entreprise, qui comprend plusieurs anciens de l’industrie pétrolière et gazière, s’est concentrée sur les saumures des champs pétrolifères. « L’infrastructure est déjà en place », dit-il. «C’est vraiment une grosse affaire. Le lithium contenu dans cette saumure est produit chaque jour, mais il n’est tout simplement pas extrait. »
Les poids lourds de l’industrie pétrolière et gazière commencent à se lancer dans le lithium, selon le Financial Times . ExxonMobil a récemment acheté des saumures de champs pétrolifères contenant du lithium en Arkansas, et Chevron envisage également de produire du lithium .
La possibilité d’exploiter diverses sources nationales de lithium présente un intérêt particulier pour le gouvernement américain, déclare Holly Stower , analyste au Cleantech Group. « Alors que les États-Unis évoluent vers une économie à faibles émissions de carbone, le ministère de l’Énergie veut s’assurer qu’ils disposent d’un approvisionnement en lithium stable et sécurisé, résilient aux risques géopolitiques, et le DLE permet cela », dit-elle.
Le DOE investit des millions dans de nouvelles technologies DLE pour extraire le lithium des saumures géothermiques aux États-Unis, comme dans la mer de Salton en Californie, qui, selon les estimations du National Renewable Energy Laboratory , pourraient fournir plus de 24 000 tonnes de lithium par an. La plus grosse bourse du DOE, soit 5 millions de dollars, est allée à EnergyX, basée à Austin, qui reçoit également 50 millions de dollars de General Motors. L’entreprise utilise un mélange de technologies comprenant l’adsorption et une membrane nanotechnologique brevetée capable de séparer presque instantanément le lithium.
On ne sait toujours pas quelle technologie le DLE gagnera. Il n’y a pas encore « de gagnant clair en termes de ce que veulent les clients et de ce que la technologie peut offrir », dit-elle. Mais toutes les technologies de séparation DLE actuellement testées sont déjà utilisées à d’autres fins, explique Nicolaci de Goldman Sachs, ce qui devrait accélérer la commercialisation. « Attendez-vous à la première véritable vague de projets DLE plus tard dans la décennie. »
