Une équipe de recherche du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis a récemment annoncé un nouveau procédé qui devrait réduire considérablement la consommation d'énergie et le coût de l'extraction du lithium de la roche dure. On pense que cela pourrait changer le bilan économique des batteries de véhicules électriques. Des recherches pertinentes, publiées dans la revue Science, se concentrent sur la manière de réduire la consommation d'énergie et les émissions de déchets lors du traitement des minerais de roche dure contenant du lithium.

À l'heure actuelle, l'une des principales raisons pour lesquelles les batteries lithium-ion dominent le marché des batteries est que leur chaîne d'approvisionnement est à grande échelle et leur système est mature, formant un réseau mondial d'approvisionnement en lithium très efficace, ce qui rend difficile la concurrence des technologies alternatives en termes de coûts. Cependant, cet avantage dépend fortement de l’approvisionnement stable en ressources de lithium bon marché, et les ressources actuelles de lithium moins coûteuses proviennent principalement de gisements de saumure de lacs salés concentrés en Amérique du Sud. Bien que le lithium ne soit pas rare en termes d'abondance dans la croûte terrestre, les sources de minerai de haute qualité, faciles à exploiter et peu coûteuses, ne sont pas abondantes.

Dans ce contexte, les gens continuent de se concentrer sur un minéral contenant du lithium appelé spodumène, qui constitue la ressource de lithium de roche dure la plus abondante au monde. Cependant, la technologie traditionnelle de traitement du spodumène est coûteuse : le minerai doit être chauffé à environ 1 000 degrés Celsius puis lixivié avec de l’acide sulfurique pour extraire le lithium. Bien que ce procédé soit mature et fiable, il s’accompagne d’une énorme consommation d’énergie et produit une grande quantité de déchets soufrés.

La nouvelle approche proposée par le MIT et ses collaborateurs emprunte une voie très différente. Au lieu de commencer par un grillage à haute température, le processus utilise une solution de fluorure d'ammonium chauffée à environ 70 degrés Celsius pour décomposer la structure minérale. Dans ce processus, le minerai est séparé en trois flux de matériaux : lithium, silicium et aluminium : le lithium est dissous dans la solution sous forme de fluorure de lithium, le silicium forme un composé soluble et l'aluminium est converti en un produit intermédiaire solide pour un traitement facile.

Dans les étapes suivantes, le traitement de l'aluminium constitue le maillon le plus énergivore du processus, nécessitant un chauffage par étapes, d'abord jusqu'à environ 300 degrés Celsius, puis jusqu'à environ 700 degrés Celsius, pour finalement produire de l'alumine d'une pureté supérieure à 98 %. En comparaison, le traitement du silicium est relativement simple : en ajoutant de l'ammoniac, les composés du silicium présents dans la solution sont transformés en précipités de silice, faciles à séparer. L’équipe de recherche a noté que ces silices pourraient être utilisées comme additifs pour le béton, contribuant ainsi potentiellement à compenser en partie les coûts de traitement.

Le lithium reste toujours en solution sous forme de fluorure de lithium. Sous cette forme, il peut être directement utilisé comme précurseur du matériau électrolytique hexafluorophosphate de lithium, ou il peut être ensuite converti en nitrate de lithium, puis préparé en oxyde de lithium pour entrer dans le processus traditionnel de production de matériaux de batterie. Cela offre plusieurs options de chemin pour connecter le nouveau processus à la chaîne industrielle existante des batteries au lithium.

Une caractéristique majeure du nouveau procédé est la gestion « en boucle fermée » de son propre système de réaction. Au cours du processus de réaction en plusieurs étapes, des substances telles que l'ammoniac et le fluorure d'hydrogène seront générées ; au lieu de les traiter comme des déchets, l’équipe de recherche a conçu un lien de recyclage pour resynthétiser les deux en fluorure d’ammonium afin de participer à nouveau au traitement initial. Cette conception en boucle fermée permet de réduire les pertes de réactifs et les émissions de déchets, mais elle nécessite également une gestion stricte de la sécurité du fluorure d'hydrogène hautement corrosif et toxique.

D'un point de vue économique, les calculs fournis par l'équipe de recherche montrent que le coût du traitement traditionnel du spodumène est légèrement inférieur à 9 000 dollars américains par tonne de lithium, tandis que le nouveau procédé devrait réduire le coût à plus de 5 000 dollars américains par tonne, ce qui est à peu près proche du niveau de coût de l'extraction du lithium à partir de ressources de saumure de haute qualité. Si les sous-produits de l’aluminium et du silicium parviennent à entrer sur le marché et à être monétisés, il est possible de réduire davantage les coûts globaux.

Cependant, les chercheurs ont également souligné qu’il existe encore de nombreuses incertitudes entre les mesures en laboratoire et les opérations réelles de l’usine. Les coûts réels dépendront de facteurs tels que la qualité du minerai, les fluctuations des prix du marché et l'investissement en capital requis pour construire ou modifier les installations de production pour le nouveau procédé. Malgré cela, ces travaux sont toujours considérés comme une idée nouvelle sur la question de l’approvisionnement en lithium. Il se concentre non seulement sur les sources géographiques des ressources en lithium, mais tente également d'optimiser les modèles d'utilisation de l'énergie et de récupération des ressources à partir du processus d'extraction lui-même.