Exploiter les sources géothermiques pour répondre à nos besoins en lithium

La quête d’encore plus de lithium

Avec la montée des véhicules électriques, la demande de batteries lithium-ion a explosé, tout comme le besoin en ressources de lithium. On s’attend à ce que cette demande continue de croître de façon exponentielle, seule la pente de cette courbe restant incertaine, selon la vitesse d’adoption des véhicules électriques.

Source: Statista

Cela a engendré des problèmes, le lithium étant difficile à extraire. Par le passé, cela a provoqué d’importantes fluctuations de prix, faisant varier fortement les coûts d’approvisionnement pour les fabricants de batteries et de véhicules électriques.

Source: Carbon Credit

Actuellement, le lithium est principalement produit à partir de roches dures ou de saumures d’eau salée, toutes deux nécessitant beaucoup d’énergie ou de consommation d’eau.

Une alternative serait de produire du lithium à partir de saumures géothermiques, l’eau présente dans les dépôts souterrains. Cela a toutefois été difficile d’un point de vue technique.

Cela pourrait avoir changé grâce aux travaux de chercheurs de l’Université Rice, qui ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) sous le titre « Three-chamber electrochemical reactor for selective lithium extraction from brine¹ ».

D’où vient le lithium ?

Le lithium ne représente que 0,002 % de la croûte terrestre et se trouve rarement dans des gisements concentrés commercialement viables.

Actuellement, la plupart des batteries mondiales et du lithium raffiné proviennent de Chine. Le minéral lui‑même est principalement extrait du « triangle du lithium » (Chili, Argentine, Bolivie), de la Chine et de l’Australie.

Source: Progress in Natural Science

Cela a conduit d’autres pays à rechercher des sources alternatives, les saumures souterraines (eau salée) étant un bon candidat. Par exemple, il a récemment été découvert que l’Arkansas pourrait contenir plus de ressources en lithium dans les saumures présentes à côté des gisements de pétrole et de gaz que toutes les réserves de lithium connues auparavant aux États‑Unis.

Ces saumures contiennent souvent une concentration relativement élevée de lithium. Le problème est de savoir comment extraire le lithium de ces saumures, car elles contiennent généralement également un mélange complexe d’autres minéraux.

Étant donné que ces saumures sont très concentrées, l’extraction directe du lithium (DLE) est envisagée comme une alternative à la grande cuve d’évaporation utilisée jusqu’à présent.

Source: Euronews

Extraction directe du lithium

L’extraction directe cible les atomes de lithium grâce à un processus d’extraction sélectif. Cela peut être réalisé par quelques méthodes différentes:

• DLE basée sur l’adsorption, où le lithium est physiquement absorbé par un matériau dédié.
• DLE basée sur l’échange ionique, où le lithium est échangé contre des cations (ions positifs).
• DLE basée sur l’extraction par solvant, où un solvant liquide organique absorbe et dissout le lithium hors de la saumure.

Source: Lithium Harvest

Extraction électrochimique du lithium

Une autre option, encore peu explorée, est l’extraction électrochimique du lithium. L’idée est d’utiliser un courant électrique puissant pour séparer le lithium des autres minéraux présents dans la saumure.

Comme nous l’avons indiqué, ces saumures contiennent de nombreux autres minéraux aux tailles ioniques et charges similaires, notamment le magnésium, le calcium, le sodium et le potassium. Cela rend toute méthode basée uniquement sur les propriétés ioniques difficile, car il faut la répéter de nombreuses fois pour ne sélectionner que le lithium.

L’alternative pourrait être d’utiliser le courant électrique à la place, mais les saumures contiennent souvent de nombreux ions chlorure qui peuvent se transformer en gaz de chlore extrêmement toxique lors des processus électrochimiques traditionnels d’isolation du lithium.

Le gaz de chlore, également appelé halogène, a notamment été utilisé comme gaz de combat pendant la Première Guerre mondiale. Cependant, le problème de sa production lors de l’extraction électrochimique du lithium a jusqu’à présent empêché cette technologie d’être utilisée commercialement.

Utiliser la technologie des batteries pour l’extraction du lithium

Paradoxalement, les innovations dans la technologie des batteries pourraient aider à résoudre le problème d’extraction du lithium pour les mêmes batteries. Les chercheurs de l’Université Rice ont utilisé une membrane en céramique vitreuse conductrice au lithium‑ion (LICGC) récemment développée, une technologie souvent utilisée dans les batteries mais jamais appliquée auparavant au traitement du lithium. Le LICGC est un matériau électrolyte solide qui constitue un bon candidat pour la construction de batteries à l’état solide.

La membrane est très efficace pour laisser passer sélectivement uniquement les ions lithium tout en retenant les ions des autres substances chimiques.

Réacteur électrochimique à 3 chambres

Les réacteurs électrochimiques traditionnels pour l’extraction du lithium sont conçus autour de 2 chambres: la première contient la saumure ciblée, et la seconde contient le lithium extrait.

En ajoutant la membrane LICGC au milieu, les chercheurs ont créé une troisième chambre intermédiaire, où principalement seul le lithium peut traverser le LICGC.

“Notre domaine lutte depuis longtemps contre les inefficacités et les impacts environnementaux de l’extraction du lithium. Ce réacteur témoigne du pouvoir de combiner la science fondamentale avec l’ingéniosité ingénierie pour résoudre des problèmes concrets.”

Haotian Wang, professeur associé de génie chimique et biomoléculaire à Rice.

Lors des tests effectués par les chercheurs, le taux de pureté du lithium a atteint 97,5 %. Par ailleurs, les concentrations de Na⁺, K⁺, Mg²⁺ et Ca²⁺ étaient si faibles qu’elles étaient en dessous de la limite de détection des instruments des chercheurs.

Plus important encore, il est particulièrement efficace pour retenir les ions chlorure, réduisant drastiquement la production de gaz de chlore. Au lieu de consommer beaucoup d’énergie et de créer des gaz nocifs, seulement 6,4 % de la puissance totale a réagi avec les ions chlorure dans le nouveau design.

 Cependant, certains problèmes restent à résoudre

Lors de leurs tests, les chercheurs ont remarqué une accumulation d’ions sodium sur la membrane LICGC. Si elle n’est pas contrôlée, cette accumulation pourrait affecter l’efficacité du réacteur au fil du temps. Ainsi, tant que ce problème n’est pas résolu, le réacteur électrochimique à 3 chambres ne sera pas prêt pour un déploiement à l’échelle commerciale.

L’une des possibilités envisagées pour résoudre le problème serait de prétraiter la saumure afin de réduire la teneur en sodium.

Une autre serait de trouver des revêtements de membrane spécialisés pour empêcher les ions sodium de se fixer dès le départ.

Investir dans le lithium et la technologie des batteries

Les batteries lithium‑ion ont déjà changé le monde à plusieurs reprises, permettant aux gens de transporter des appareils électroniques avancés partout et d’alimenter les voitures uniquement à l’électricité.

Elles pourraient encore le faire, ou d’autres types de batteries, en permettant un réseau électrique 100 % renouvelable ou l’électrification des avions lorsqu’une densité énergétique suffisante sera atteinte.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux batteries via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques de lithium ou de batteries, vous pouvez également vous tourner vers des ETF biotech tels que Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), le Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, ou le WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, qui offriront une exposition plus diversifiée pour profiter de la croissance du secteur du lithium et des batteries.

Ou vous pouvez consulter notre « Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks ».

Entreprise d’extraction directe du lithium

Rin Tinto

Rio Tinto (RIO ) est un géant de l’industrie minière (le deuxième plus grand au monde), avec une forte présence dans l’extraction du fer, ainsi que du cuivre, de l’aluminium, de l’or, de l’uranium, etc.

Rio Tinto se développe rapidement, notamment avec le méga projet de mine de fer de Simandou en Guinée et la mine de cuivre d’Oyu Tolgoi, le plus grand projet de l’histoire de la Mongolie.

On s’attend à ce que Rio Tinto fournisse 25 % des volumes de croissance de l’approvisionnement mondial en cuivre au cours des cinq prochaines années.

Récemment, il a fait une entrée massive dans le secteur minier du lithium, avec l’acquisition du géant du lithium Arcadium Lithium , lui‑même résultat de la fusion en 2023 des grands producteurs de lithium Allkem & Livent, le plaçant au troisième rang des producteurs de lithium au monde.

Source: Arcadium

La fusion a créé une entreprise couvrant toutes les étapes de production et de transformation du lithium. Arcadium prévoit d’augmenter sa capacité de plus du double d’ici la fin 2028.

Arcadium Innovations

DLE

Concernant cette acquisition, ce qui a été décrit comme « le vrai atout de Rio Tinto » est la technologie d’extraction directe du lithium (DLE) d’Arcadium. Arcadium travaille effectivement sur le DLE depuis 1996, en combinaison avec des bassins d’évaporation, et a récemment réalisé des progrès significatifs pour le rendre commercialement viable en tant que méthode d’extraction autonome.

Notamment, Livent a acquis ILiAD Technologies en 2023.

“La plateforme technologique ILiAD combine un adsorbant sélectif au lithium supérieur avec un traitement continu en lit contre‑courant”

“Livent est le principal praticien mondial et le plus grand utilisateur des processus de production basés sur le DLE, et nous sommes ravis qu’ils aient reconnu les avantages que ILiAD apporte à l’avenir du DLE.”

Il semble que l’expertise à long terme d’Arcadium en DLE, ainsi que la « vaste gamme de saumures riches en lithium sous une grande variété de conditions » d’ILiAD, aient été une raison principale de la décision de Rio Tinto d’acquérir Arcadium, en plus de sa faible valorisation due à la nature cyclique des marchés du lithium.

À long terme, l’extraction électrochimique du lithium pourrait remplacer les méthodes basées sur les adsorbants, mais il est également probable que l’expérience du DLE à grande échelle sera tout de même rentable si cette méthode devient la principale d’extraction du lithium à l’avenir.

Feuille de lithium

Arcadium a également développé LIOVIX, une forme de feuille de lithium imprimable qui pourrait être utilisée pour améliorer les performances des batteries, réduire les coûts de fabrication et diminuer l’utilisation de lithium.

Source: Arcadium

Profil vert de Rio Tinto

L’acquisition d’Arcadium a fermement placé Rio Tinto dans le camp des innovateurs de l’industrie minière après son innovation dans l’extraction du cuivre via sa filiale Nuton. La nouvelle technologie de Nuton permet un taux de récupération du cuivre beaucoup plus élevé à partir du minerai extrait.

La production d’aluminium de Rio Tinto est à faible émission de carbone, grâce à l’hydroélectricité utilisée pour raffiner la bauxite en alumine puis en aluminium.

Rio Tinto a également investi dans d’autres projets de lithium, acquérant récemment le projet Ricon en Argentine et le controversé projet de lithium Jadar en Serbie (potentiellement le plus grand projet de lithium en Europe).

En raison de ses récentes acquisitions et de ses nouveaux projets, Rio Tinto devrait être de plus en plus perçu comme un mineur de fer au cœur de ses activités, avec un profil de plus en plus vert et une forte croissance dans tous les métaux requis par la transition énergétique, notamment le cuivre, l’aluminium à faible émission de carbone et le lithium.

Référence de l’étude:

^{1. Feng, Y., Park, Y., Hao, S., Fang, Z., Terlier, T., Zhang, X., Qiu, C., Zhang, S., Chen, F., Zhu, P., Nguyen, Q., Wang, H., & Biswal, S. L. (2024). Three-chamber electrochemical reactor for selective lithium extraction from brine. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(47), e2410033121. https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121}