Améliorer l’efficacité de l’extraction du lithium et des minéraux avec des nénuphars artificiels

Une alternative à l’exploitation minière des minéraux

Lorsqu’il s’agit de produire les minéraux essentiels qui alimentent les industries mondiales, il n’existe en réalité que trois sources possibles: l’exploitation de roches, le recyclage et la purification des minéraux dissous. Pour des matériaux comme le fer et l’aluminium, les mines traditionnelles sont les principaux fournisseurs, le recyclage contribuant également.

Cependant, pour des matériaux comme le lithium, l’une des sources principales est les saumures, des eaux riches en minéraux qui doivent être évaporées afin de récupérer les minéraux qu’elles contiennent. Une méthode similaire est souvent utilisée pour la production des deux engrais les plus importants: les nitrates et le potasse.

Cette méthode nécessite d’immenses bassins d’évaporation couvrant des milliers d’hectares, imposant un lourd coût environnemental aux écosystèmes locaux.

Source: SQM

Jusqu’à présent, cela a été réalisé en s’appuyant uniquement sur les rayons du Soleil pour réchauffer les bassins et évaporer l’eau. Ce n’est pas un processus efficace, d’où les surfaces massives requises.

Cela pourrait bientôt changer, grâce à un nouveau matériau capable d’accélérer l’évaporation, développé par des chercheurs de l’Université de Princeton en collaboration avec le géant de la production de lithium Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ).

Ils ont publié leur invention dans Nature Water¹, sous le titre « Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining ».

Production massive de lithium

(Pas si durable) Énergie verte

Lorsqu’il n’est pas extrait des roches (gisements de spodumène), le lithium se trouve principalement dans des saumures minérales, mélangées à d’autres sels et minéraux dissous. La saumure provient principalement des eaux souterraines ou est créée en lixiviant le lithium des gisements riches en minéraux avec de l’eau douce.

Actuellement, des dizaines de milliers d’hectares de bassins solaires sont utilisés dans le monde pour extraire le lithium, le Chili en possédant 6 000 hectares (14 800 acres).

Cette méthode exerce une pression extrême sur l’approvisionnement en eau de ces régions. Pire encore, les zones riches en lithium sont généralement des déserts, ce qui explique pourquoi le lithium se concentre dans des gisements économiquement viables. Ainsi, l’eau limitée disponible pourrait être entièrement détournée vers l’industrie du lithium, mettant en danger les écosystèmes et les communautés locales.

Consommation d’énergie

Ces bassins d’évaporation sont une méthode pour exploiter l’énergie solaire « gratuitement ». C’est une option supérieure aux alternatives utilisant l’électricité, comme la compression mécanique de vapeur ou l’osmose inverse à ultra-haute pression.

Bien qu’elles soient probablement plus écologiques, ces méthodes basées sur l’électricité seraient impossibles à mettre en œuvre à grande échelle. Par exemple, les seuls bassins d’évaporation chiliens captent 65 TWh d’énergie solaire, dépassant 70 % de la production annuelle totale du Chili (~90 TWh par an).

Un problème majeur est que, bien que peu coûteuse, la méthode des bassins d’évaporation est loin d’être efficace. Moins de la moitié de l’énergie solaire est convertie en énergie thermique, contribuant à l’évaporation.

C’est là que l’invention des chercheurs de Princeton entre en jeu.

Engrais

Non seulement le lithium, mais aussi les engrais peuvent être produits grâce aux bassins d’évaporation. Notamment, SQM produit chaque année 1,5 million de tonnes de sels nitrés à partir du minerai de caliche et des saumures salariennes.

Source: SQM

Il s’agit d’un mélange chimique complexe que SQM extrait des saumures, incluant le chlorure de lithium, le chlorure de potassium, le chlorure de magnésium, l’acide borique et le sulfate de potassium. Le potassium est ensuite mélangé pour former du nitrate de potassium.

Bien que ce ne soit pas une source d’engrais significative comparée à l’exploitation directe ou à la synthèse d’engrais azotés à partir de gaz naturel (processus Haber‑Bosch), il s’agit d’un autre processus de production ayant un impact environnemental qui pourrait être amélioré grâce à des bassins d’évaporation plus efficaces.

Optimisation de l’évaporation

Découvertes précédentes

Les dernières recherches R&D visant à augmenter l’efficacité des bassins d’évaporation s’appuient sur des travaux antérieurs des mêmes chercheurs et d’autres acteurs du domaine. Ils avaient étudié le phénomène appelé évaporation solaire interfaciale (ISE).

Le concept clé de l’ISE consiste à utiliser un matériau très absorbant la lumière afin de capter près de 100 % du rayonnement solaire tout en absorbant l’eau salée et riche en minéraux.

Source: ResearchGate

Des progrès supplémentaires ont également été réalisés pour éviter l’accumulation de sel et la cristallisation, qui réduiraient l’efficacité avec le temps, notamment amélioration du reflux de sel, conceptions structurelles Janus, et cristallisation directionnelle.

Partenariat public-privé

Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme START Innovators de l’Université. Le programme, combinant bourse académique et accélérateur de startups, a permis aux chercheurs de poursuivre le développement de leur technologie tout en élaborant un plan d’affaires et en créant des entreprises en phase de démarrage.

« Aider à cultiver un écosystème dans lequel nos professeurs et chercheurs peuvent traduire efficacement leurs technologies vers le secteur commercial est une fonction essentielle du Bureau de l’Innovation. »Craig Arnold – Vice Doyen de l’Innovation et Responsable de l’Innovation Universitaire.

Cette approche vise à accélérer le transfert de la technologie des idées de laboratoire à l’échelle industrielle et à mieux traduire les compétences techniques des chercheurs académiques en applications pratiques.

« Ce que nous pouvons faire avec des chercheurs comme le professeur Ren et son équipe, c’est les aider à rediriger leur façon de penser leurs idées. Notre objectif est de changer radicalement la perspective des participants, afin qu’ils quittent notre programme avec une vision complètement différente de celle qu’ils avaient à leur arrivée.

Nous leur posons des questions complexes qui peuvent dépasser le cadre traditionnel d’un chercheur, mais qui sont essentielles pour traduire les innovations académiques en résultats réussis.

« Nena Golubovic – Directrice du programme Design for Impact en Sciences et Ingénierie

Cela semble avoir fonctionné, la technologie étant passée de « petits prototypes dans des piscines pour enfants » à des tests de produits prêts à la commercialisation dans des installations de production minière en Amérique du Sud en moins de deux ans.

« Princeton a fourni les bases, l’écosystème et les ressources qui nous ont enseigné les compétences et connaissances nécessaires pour réussir en tant que petite entreprise. »Sean Zheng – PDG de Princeton Critical Minerals (anciennement PureLi)

Amélioration de l’efficacité

Alors que le prototype précédent utilisait du bois comme matériau de transport de l’eau, les chercheurs ont inventé des cristallisateurs de fibres de cellulose torsadées. Cela permet non seulement une évaporation rapide de l’eau, mais aussi une cristallisation spatialement séparée pour une récupération sélective du lithium.

Ils ont également utilisé des revêtements propriétaires pour nos matériaux à base de carbone, permettant une évaporation rapide, une séparation des minéraux et des propriétés anti-encrassement.

La startup Princeton Critical Minerals a testé son premier prototype dans un bassin d’évaporation de lithium réel appartenant à SQM, façonné comme un nénuphar flottant à la surface de l’eau.

Source: ResearchGate

Lorsqu’il est observé avec une caméra thermique, il est évident que la surface de l’eau est beaucoup plus chaude, avec des points chauds particulièrement dans une zone spéciale du nénuphar artificiel. Le design s’est avéré capable de convertir 96 % de l’énergie solaire en énergie thermique, contre 50 % d’efficacité des bassins ouverts.

Source: ResearchGate

Cela a globalement amélioré radicalement le taux d’évaporation, qui a doublé en moyenne (augmentation de 40 à 122 % selon les concentrations de saumure). Cela a également eu pour effet de réduire fortement la perte d’eau vers le fond du bassin, le processus étant beaucoup plus rapide.

Source: ResearchGate

Recherche supplémentaire

Les données de la caméra thermique ont prouvé que le principe clé du fonctionnement des nénuphars artificiels consiste à retenir la chaleur du soleil à la surface du bassin, où elle effectue réellement l’évaporation, plutôt qu’au fond, où la chaleur se dissipe.

Comme la température influence la solubilité des minéraux, il se pourrait qu’un ajustement supplémentaire de la température à la surface des nénuphars améliore encore davantage la production de lithium.

« Ces questions ne sont apparues qu’après avoir vu les résultats des tests sur le terrain. Si nous avions maintenu notre travail en laboratoire, ces nouvelles orientations n’auraient peut-être jamais émergé. »Z. Jason Ren – Professeur de génie civil et environnemental

Une autre étape consistera à lancer la production de masse des nénuphars artificiels et à explorer l’économie du dispositif, ainsi que les modèles commerciaux potentiels à long terme pour Princeton Critical Minerals.

Entreprises d’évaporation du lithium

Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

SQM est la deuxième plus grande société d’exploitation de lithium au monde, avec ses actifs au Chili et le lithium représentant la majeure partie de l’activité de l’entreprise. Elle est également le leader du marché dans la production de nitrate de potassium d’origine naturelle et vend des produits chimiques spécialisés tels que l’iode, le chlorure de potassium, l’acide borique et les chlorures de magnésium.

Source: SQM

En avril 2023, l’entreprise a dû faire face à une initiative du Chili menaçant une nationalisation partielle de l’industrie du lithium du pays. Au-delà du choc initial, les détails supplémentaires du plan ont précisé que le pays souhaitait toujours attirer des investissements étrangers privés.

Plus précisément, la société nationale de lithium Coldeco renégocie un contrat avec SQM, et d’autres gisements de lithium seront proposés à l’exploitation. Le contrat existant sera néanmoins respecté et restera en vigueur jusqu’en 2030.

Comme les négociations sont en cours, très peu d’informations sont disponibles, et il est difficile de prévoir l’avenir à long terme de SQM. Néanmoins, le Chili est un pays fortement dépendant de l’exploitation minière pour son économie, et le rejet initial des plans de nationalisation, affectant non seulement la confiance dans le lithium mais dans toute l’industrie minière, a contraint le gouvernement à limiter ses ambitions (pour l’instant ?).

La menace de nationalisation a été suivie d’une baisse durable des prix internationaux du lithium, ce qui a entraîné une chute du cours de l’action de l’entreprise, loin de son pic à la fin de 2022.

Source: Carbon Credit

Lithium a enregistré une croissance du volume des ventes (+13 %), des prix moyens de vente annuels nettement plus bas (-41 %) au cours du 4T2024 contre 4T2023

En raison des faibles prix du lithium, l’entreprise a généré en 2024 des revenus nettement plus élevés, proportionnellement, provenant d’autres produits qu’auparavant, l’iode représentant 39 % du bénéfice brut.

Source: SQM

Cela peut être perçu soit comme le reflet du réel risque de l’entreprise, soit comme une opportunité d’attirer des investisseurs prêts à prendre le risque et à percevoir un rendement de dividende solide.

Comme pour tous les investissements dans le lithium, les investisseurs voudront se familiariser avec le paysage des véhicules électriques (demande et potentiel de la chimie innovante comme les batteries sodium‑ion, qui n’utilisent pas de lithium) et s’attendre à ce que la forte volatilité des prix du lithium persiste dans un avenir prévisible, même si davantage de risques à la baisse semblent déjà partiellement intégrés.

(Vous pouvez en savoir plus sur le lithium et les batteries dans nos articles « Is Lithium Demand Set to Plummet with New Sodium-Ion Batteries? », « Does Arkansas Hold the Answer to Our Lithium Needs? » et « Investing in Nobel Prize Achievements: Lithium-Ion Batteries To Power The World ».)

Dernières nouvelles sur Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{Études référencées:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}