Récolte durable du lithium – Révolutionner les chaînes d’approvisionnement des véhicules électriques

Portée par les efforts mondiaux de décarbonisation, la croissance des véhicules électriques (VE) devrait se poursuivre à un rythme rapide, représentant plus de la moitié des ventes mondiales de véhicules d’ici dix ans. 

Cette électrification généralisée du secteur des transports, qui représente environ 20 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO₂) en raison de sa forte dépendance aux combustibles fossiles, contribuera à réduire de manière significative les émissions totales de gaz à effet de serre (GES).

Cependant, cette transition rapide vers les VE engendre un problème majeur — une pression sévère sur la chaîne d’approvisionnement des éléments critiques utilisés dans les batteries de VE. 

Parmi les batteries de VE, les batteries lithium‑ion sont les plus largement utilisées en raison de leur faible coût et de leur densité énergétique inégalée, et elles devraient rester la chimie de batterie dominante. Cela signifie que le lithium (Li), en particulier, restera un composant essentiel.

Le métal alcalin doux, blanc argenté, qui est le plus léger de tous les éléments solides et réagit vigoureusement avec l’eau, est utilisé en quantités importantes dans un seul pack de batterie de VE.

Ainsi, naturellement, la demande de lithium devrait croître de façon exponentielle au cours de la prochaine décennie, au point de dépasser largement ce qui peut être obtenu par l’exploitation des minerais de lithium ou l’extraction des saumures riches en lithium d’ici 2030.

Le problème de chaîne d’approvisionnement lié à l’élément critique des batteries

La demande de batteries lithium‑ion devrait dépasser un térawattheure (TWh) cette année, une hausse spectaculaire par rapport à 74 gigawattheures (GWh) il y a dix ans, selon la base de données Lithium‑ion Battery de Benchmark.

Cette demande fulgurante de batteries lithium‑ion, qui est au cœur de la croissance de l’industrie automobile et de la transition énergétique, pousse les pays à chercher à développer leurs propres chaînes d’approvisionnement nationales.

Alors que la Chine domine l’industrie, la concurrence s’intensifie, les États‑Unis cherchant à prendre le contrôle dans la technologie des VE et des batteries. Les deux pays imposent des restrictions commerciales pour protéger leurs industries et se placer en tête.

En janvier de cette année, la Chine a suggéré de restreindre les technologies d’extraction et de raffinage du lithium afin d’obtenir davantage de contrôle sur la chaîne d’approvisionnement mondiale du lithium. La Chine, qui abrite également les principaux fabricants mondiaux de batteries lithium, CATL détenant la plus grande part de marché à 35 % suivi de BYD, est devenue le deuxième détenteur mondial, avec 16,5 % du total mondial alors que ses réserves de lithium ont triplé.

La Bolivie, le Chili et l’Argentine sont les autres détenteurs de réserves de lithium les plus importants, avec de nouveaux producteurs de lithium comme l’Arabie Saoudite qui se joignent en investissant massivement dans des projets lithium.

Les États‑Unis figurent également parmi les principaux pays disposant de réserves importantes de lithium. Cependant, malgré cela, leur production reste relativement faible — moins de 2 % du total mondial. Et presque tout ce lithium provient de l’installation Silver Peak d’Albemarle. Ainsi, l’ordre « Unleashing American Energy » vise à simplifier les permis d’exploitation minière et à renforcer les capacités nationales.

Il y a quelques mois, un haut fonctionnaire américain a accusé les producteurs chinois de lithium d’éliminer les projets concurrents en inondant le marché mondial avec ce métal critique, provoquant ainsi une chute de prix « prédatrice ».

Les prix du lithium ont chuté de plus de 80 % au cours de l’année écoulée, principalement en raison de la surproduction de la Chine. Selon Jose Fernandez, alors Sous‑secrétaire d’État à la Croissance économique, à l’Énergie et à l’Environnement:

« Ils pratiquent une tarification prédatrice… (ils) abaissent le prix jusqu’à ce que la concurrence disparaisse. C’est ce qui se passe. »

La Chine, a-t-il ajouté, produisait beaucoup plus de lithium « que le monde ne nécessite aujourd’hui, de loin. » Cela a entraîné des prix bas, que Fernandez a déclaré « limiter notre capacité à diversifier nos chaînes d’approvisionnement à grande échelle mondiale. »

À mesure que la concurrence s’intensifie et que la volatilité des prix menace les chaînes d’approvisionnement mondiales, il y a une pression urgente pour des méthodes d’extraction alternatives afin d’assurer un approvisionnement en lithium stable et durable.

Combler le fossé entre la demande et l’offre de lithium

Pour combler efficacement le manque d’approvisionnement en lithium, il faut passer des méthodes conventionnelles à des sources aqueuses non conventionnelles. Cela inclut l’extraction du lithium à partir de saumures géothermiques, d’eaux usées industrielles, d’eaux de production pétrolière et gazière, ainsi que des eaux souterraines.

Traditionnellement, ce type d’extraction implique une pré-concentration par évaporation solaire, suivie d’une série d’étapes de purification et de précipitation basées sur la chimie.

En conséquence, l’extraction du lithium est limitée aux régions arides et vastes. De plus, cela implique des temps de traitement longs et a des impacts environnementaux négatifs, et malgré tout, les taux de récupération du lithium restent faibles.

C’est pourquoi les technologies d’extraction directe du lithium (DLE) sont devenues la priorité, car elles peuvent surmonter les limitations liées au temps et à l’occupation du sol. Ces technologies permettent également d’obtenir du lithium à haute pureté sans nécessiter d’étapes de post‑traitement chimiques.

À ce jour, les résines d’échange d’ions et les adsorbants, en particulier, sont largement étudiés pour l’extraction du lithium, mais ces techniques nécessitent encore une pré‑concentration partielle du lithium en raison de leur sélectivité limitée et requièrent de grands volumes d’eau douce ou de produits chimiques pour la régénération.

L’intercalation électrochimique du lithium, en revanche, montre une sélectivité impressionnante, mais ces approches souffrent d’une durée de vie des électrodes fortement limitée et nécessitent une régénération périodique.

Cependant, les membranes hautement sélectives ont le potentiel de surmonter ces limitations en offrant une récupération continue et durable du lithium. Cette méthode facilite le transport préférentiel du lithium par rapport aux ions concurrents.

À cet égard, la recherche de matériaux de membrane offrant une haute sélectivité du lithium contre les ions divalents et monovalents couramment concurrents demeure cruciale.

Plus récemment, des chercheurs du laboratoire Elimelech de l’Université Rice ont réalisé une percée majeure en réutilisant les électrolytes à l’état solide (SSE) comme matériaux de membrane pour l’extraction aqueuse du lithium.

Les SSE sont un sujet largement étudié dans la communauté des batteries, mais pas en tant que matériau de membrane pour les séparations ioniques aqueuses. Le développement des SSE a été le centre d’intérêt dans le domaine des batteries en raison des problèmes de sécurité liés à l’inflammabilité des électrolytes liquides couramment utilisés.

Les électrolytes à l’état solide (SSE) offrent en réalité des alternatives prometteuses aux électrolytes liquides traditionnels dans les batteries, offrant une sécurité accrue et un potentiel de densité énergétique plus élevée. Les SSE sont des matériaux solides qui permettent le transport d’ions, comme les ions lithium, entre les électrodes d’une batterie.

En plus d’offrir une sécurité améliorée grâce à leur non‑inflamabilité, les SSE sont également plus durables, mais ils font face à des défis tels qu’une conductivité ionique plus faible et une instabilité d’interface.

En ce qui concerne l’application potentielle des SSE comme matériaux de membrane pour l’extraction sélective des ions lithium de l’eau de mer, quelques études ont démontré leur utilisation possible, mais l’évaluation fondamentale et la compréhension du transport dans les SSE n’ont pas encore été explorées.

Ainsi, la dernière étude évalue l’utilisation d’un SSE conducteur d’ions Li comme membrane pour l’extraction aqueuse du lithium en étudiant les fondamentaux du transport des ions et de l’eau dans le SSE et en évaluant sa sélectivité ion‑ion face aux cations couramment concurrents dans les saumures de lithium.

Les résultats de l’étude indiquent une « sélectivité du lithium pratiquement parfaite ». Elle a également révélé une relation importante — bien que les cations concurrents soient imperméables, leur présence (un ion chargé positivement) affecte toujours négativement le flux des ions lithium.

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Ouvrir la voie à des chaînes d’approvisionnement durables pour les batteries de VE

Publié dans Science Advances¹, l’étude détaille le développement d’une méthode d’extraction efficace du lithium — une membrane d’électrolyte à l’état solide hautement sélective qui révolutionne la récolte du lithium avec une sélectivité quasi parfaite, améliorant ainsi la durabilité des chaînes d’approvisionnement des batteries de VE.​

L’équipe de recherche a découvert que la structure hautement ordonnée et confinée des SSE, initialement conçue pour la conduction rapide des ions lithium dans les batteries à l’état solide, est capable d’obtenir une séparation sans précédent des ions et de l’eau dans les mélanges aqueux.

Cela représente une percée potentielle dans la récupération durable des ressources qui peut aider à réduire la dépendance aux techniques traditionnelles. Selon l’auteur correspondant Menachem Elimelech, Nancy et Clint Carlson, Professeur de génie civil et environnemental:

« Le défi ne consiste pas seulement à augmenter la production de lithium, mais à le faire d’une manière à la fois durable et économiquement viable. »

La nouvelle technique développée par l’équipe de recherche repose sur une différence fondamentale entre les membranes nanoporeuses traditionnelles et les SSE. 

La différence réside dans le fait que les membranes conventionnelles s’appuient sur des pores nanoscopiques hydratés pour transporter les ions, tandis que les SSE déplacent les ions Li à l’aide d’un mécanisme de saut anhydre au sein d’un réseau cristallin hautement ordonné.

« Cela signifie que les ions lithium peuvent migrer à travers la membrane tandis que les autres ions concurrents, voire l’eau, sont efficacement bloqués. L’extrême sélectivité offerte par notre approche basée sur les SSE en fait une méthode très efficace pour la récolte du lithium, car l’énergie n’est dépensée que pour faire traverser les ions lithium souhaités à travers la membrane. »

– Premier auteur Sohum Patel, actuellement chercheur postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Pour tester ce phénomène, l’équipe a utilisé un dispositif d’électrodialyse, où l’électricité sert à faire traverser les ions Li à travers la membrane. 

Le résultat de l’expérience a montré que même lorsque la concentration d’ions concurrents était élevée, le SSE continuait d’afficher une sélectivité du lithium presque parfaite sans ions concurrents discernables. C’est quelque chose que les technologies de membranes traditionnelles n’ont pas pu atteindre.

Maintenant, pour répondre à la question de pourquoi les SSE démontrent une telle sélectivité exceptionnelle des ions Li, l’équipe a utilisé un mélange de techniques computationnelles et expérimentales, qui ont mis en évidence le réseau cristallin rigide et densément empaqueté du SSE. Cette structure empêche non seulement les molécules d’eau de pénétrer la membrane, mais aussi les plus grosses comme les ions sodium et magnésium.

« Le réseau agit comme un tamis moléculaire, ne laissant passer que les ions lithium. Cette combinaison d’exclusion de taille et de charge très précise est ce qui rend la membrane SSE si unique. »

– Elimelec

Bien que les ions concurrents ne traversent pas le SSE, les chercheurs ont noté que leur présence réduisait le flux de lithium, bien qu’il reste comparable à celui observé avec des matériaux de membrane nettement moins sélectifs. Les chercheurs estiment que ce défi, causé par le blocage des sites de surface disponibles pour l’échange ionique, peut être résolu grâce à une ingénierie supplémentaire des matériaux.

De plus, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour démontrer l’efficacité du SSE lorsqu’il est appliqué à des eaux sources de plus en plus complexes et salines. 

Dans l’ensemble, l’étude souligne « l’application très prometteuse des SSE à la récupération du lithium ». 

Selon les chercheurs, cette méthode nouvellement développée peut aider à garantir un approvisionnement stable en lithium pour un large éventail d’industries, notamment l’automobile, l’électronique et les secteurs des énergies renouvelables.

Non seulement les membranes à base de SSE peuvent aider à résoudre les pénuries de lithium qui se profilent, mais elles le font également de manière durable et sans affecter négativement l’environnement comme le font les mines traditionnelles. Selon Patel:

« En intégrant les SSE dans les systèmes d’électrodialyse, nous pourrions permettre l’extraction directe du lithium à partir d’une gamme de sources aqueuses, réduisant ainsi le besoin de grands bassins d’évaporation et d’étapes de purification intensives en produits chimiques. Cela pourrait réduire considérablement l’empreinte environnementale de la production de lithium tout en rendant le processus plus efficace. »

La méthode, qui pourrait également réduire les coûts associés à la production de lithium, devrait connaître une adoption industrielle possible dans 5 à 8 ans. Les chercheurs s’attendent à ce que les matériaux SSE soient « à l’avant‑garde des technologies DLE » à l’avenir.

En plus de cela, l’étude anticipe des applications plus larges des SSE dans les séparations ion‑sélectives au-delà du lithium.

Comme l’a souligné Elimelech, les mécanismes de sélectivité ionique dans les électrolytes à l’état solide (SSE) peuvent inspirer le développement de membranes similaires pour extraire d’autres éléments critiques des sources d’eau, ouvrant la voie à « une nouvelle classe de matériaux de membrane pour la récupération des ressources ».

Entreprise innovante

Albemarle Corporation

Aujourd’hui, si l’on examine une entreprise investissable de premier plan dans ce domaine, Albemarle Corporation (ALB ) se distingue en tant que leader mondial de la production de lithium, investissant dans des technologies d’extraction durables.

L’entreprise exploite des mines en Australie, au Chili et aux États‑Unis. Ses ressources en lithium, que Albemarle décrit comme « parmi les plus grandes et les plus qualitatives du monde », comprennent des gisements de roche dure et des saumures hypersalines.

Albemarle, cependant, fait face à des défis, ce qui l’a poussé l’été dernier à suspendre une usine de traitement du lithium pour VE de 1,3 milliard de dollars en Caroline du Sud, États‑Unis. À la même période, elle a interrompu l’extension d’une usine de fabrication en Australie, où elle produit de l’hydroxyde de lithium de qualité batterie pour les VE, en raison de la faiblesse des prix du lithium. La nouvelle est survenue seulement environ un an après qu’Albemarle ait annoncé son plan de doubler la production, une grande partie de sa perte de plus d’un milliard de dollars au troisième trimestre 2024 étant attribuée à l’échec de cette expansion.

La baisse des prix sur le marché du lithium se poursuit en raison d’une forte production au Chili, des tarifs imposés par l’administration Trump, et d’un ralentissement de la demande après les vacances du Nouvel An lunaire en Chine. En conséquence, Albemarle a dû annuler non seulement ses projets d’expansion mais aussi réduire son personnel. 

Aujourd’hui, Albemarle Corporation opère principalement à travers trois divisions principales — Energy Storage, Specialties et Ketjen. 

La division Energy Storage fabrique du chlorure de lithium, de l’hydroxyde de lithium et du carbonate de lithium. Le segment Specialties optimise des solutions très spécialisées de lithium et de brome et sert les industries de la mobilité, de l’énergie, de la connectivité et de la santé. Ketjen se concentre sur les solutions de catalyseurs de performance (PCS), les technologies de carburants propres (CFT) et les catalyseurs et additifs de craquage catalytique fluidisé (FCC) qui desservent les marchés aérospatial, automobile, de l’énergie conventionnelle, du stockage sur le réseau et d’autres.

Avec une capitalisation boursière de 8,78 milliards de dollars, le cours de l’action Albemarle se négocie actuellement à 74,82 $, en baisse de 12,28 % depuis le début de l’année. L’entreprise affiche un BPA (TTM) de -11,19 et un PER (TTM) de -6,74, tandis que le rendement du dividende versé est de 2,15 %. Le 27 février, la société a déclaré un dividende trimestriel en actions ordinaires de 0,405 $ par action, payable le 1er avril.

En ce qui concerne ses résultats financiers, pour le quatrième trimestre 2024, Albemarle a déclaré des ventes nettes de 1,2 milliard de dollars, un revenu net de 75 millions de dollars ou 0,29 $ par action diluée, et une perte diluée ajustée par action de (1,09 $).

Les ventes nettes ont enregistré une baisse de 48 % par rapport au même trimestre de l’année précédente, qui s’élevait à 2,4 milliards de dollars, la société attribuant cela à la baisse des prix et des volumes dans le secteur Energy Storage. Les ventes nettes par division étaient les suivantes — 617 millions de dollars dans Energy Storage, 333 millions de dollars dans Specialties et 282 millions de dollars dans Ketjen.

Au cours du quatrième trimestre, Albemarle a également déclaré avoir atteint une production record dans les usines de conversion de lithium de Meishan et La Negra. Cependant, elle prévoit de mettre son site à Chengdu, en Chine, en maintenance d’ici le milieu de l’année.

Pour l’ensemble de l’année, la société a déclaré des ventes nettes de 5,4 milliards de dollars et une perte nette de 1,2 milliard de dollars, tandis que la trésorerie provenant des opérations s’élevait à 702 millions de dollars. Au 31 décembre 2024, Albemarle disposait d’environ 2,8 milliards de dollars de liquidités, dont 1,2 milliard de trésorerie et équivalents. Sa dette totale, quant à elle, était de 3,5 milliards de dollars.

« Nous prenons des mesures décisives pour réduire les coûts, optimiser notre réseau de conversion et augmenter l’efficacité afin de préserver notre position concurrentielle à long terme. En regardant vers l’avenir, nous nous attendons à ce que les conditions de marché dynamiques persistent, mais nous restons confiants dans notre capacité à offrir de la valeur aux parties prenantes en augmentant notre flexibilité financière, en renforçant nos capacités essentielles et en positionnant Albemarle pour une croissance future. »

– PDG Kent Masters

Pour 2025, la société prévoit que ses dépenses d’investissement se situeront entre 700 millions et 800 millions de dollars, soit 50 % de moins que les 1,7 milliard de dollars de 2024. Ces dépenses, selon Albemarle, reflètent une priorité donnée au maintien des actifs et ressources existants.

Dernières nouvelles sur Albemarle Corporation

Conclusion 

Dans le monde hyper‑mobile d’aujourd’hui, les véhicules électriques sont apparus comme une solution au problème de la durabilité. Les VE offrent un moyen de réduire les émissions de carbone et de diminuer notre dépendance aux combustibles fossiles. Au cœur de cette révolution se trouve la technologie des batteries, qui aide les VE à redéfinir l’avenir du transport.

Un composant clé de ces batteries est le lithium, qui joue un rôle essentiel non seulement pour alimenter les VE mais aussi de nombreux appareils modernes et le stockage d’énergie. Étant donné l’importance du lithium dans la transition vers une énergie propre, le monde se précipite pour sécuriser un approvisionnement stable en lithium.

Les méthodes d’extraction conventionnelles du lithium, bien que efficaces, sont limitées par des préoccupations environnementales, une exploitation minière gourmande en ressources et des temps de traitement longs. Ici, des percées comme l’utilisation de membranes d’électrolyte à l’état solide (SSE) offrent une solution transformatrice, car permettre une récolte durable et efficace du lithium peut non seulement atténuer les problèmes imminents de chaîne d’approvisionnement, mais aussi redéfinir l’avenir de la production de batteries.

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