Situées dans les Andes, à la jonction de l'Argentine, de la Bolivie et du Chili, les salines blanches s'étendent sur des milliers de kilomètres. Sous ces plaines se trouvent plus de 58 % du lithium mondial. Pendant des décennies, les producteurs ont extrait le 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 12 à 18 mois et laisse derrière lui un tas de ferraille contenant d’autres métaux. Cela entraînerait également l’évaporation de près de 2 millions de litres de ressources en eau locales, nuisant ainsi aux communautés autochtones.
Selon CleanTechLithium, la demande de lithium sera multipliée par plus de 20 d’ici 2040 à mesure que les marchés des véhicules électriques et du stockage d’énergie s’accélèrent. Pour suivre le marché, de nombreuses entreprises développent des procédés permettant de filtrer chimiquement ou physiquement le lithium de la saumure et d'injecter la saumure dans le sol. Ces technologies d’extraction directe du lithium (DLE) peuvent doubler la production de lithium des opérations de saumure existantes en quelques heures seulement au lieu de plusieurs mois. Selon un récent rapport de Goldman Sachs, l'extraction directe du lithium, comme l'extraction de schiste pour le pétrole, pourrait « changer la donne pour l'approvisionnement en lithium », car elle pourrait débloquer de nouvelles ressources en lithium. Mais comparé aux risques liés à l’exploitation minière de schiste, le DLE peut apporter des avantages environnementaux, réduire l’utilisation des terres et de l’eau et réduire les déchets.
"Nous pompons la saumure, retirons uniquement le lithium et remettons la saumure dans le sol", a déclaré Jeremy Patt, directeur de la technologie chez Summit Nanotech, basé à Calgary. "L'objectif est de ne pas ajouter de produits chimiques ni modifier la température ou le pH de la saumure. Cela vous permet d'obtenir plus de lithium avec un minimum de perturbations."
Summit fait partie d'une douzaine de jeunes entreprises qui expérimentent de nouveaux procédés d'extraction directe du lithium et prévoient d'atteindre une production commerciale dès 2025. Albemarle et SQM, les plus grands producteurs mondiaux de lithium, prévoient de tester leur propre technologie DLE cette année. En Chine, plusieurs projets commerciaux ont adopté la technologie de l’innovateur chinois DLE Xinrixin.
Pendant ce temps, les constructeurs automobiles font la queue pour garantir l'approvisionnement en lithium DLE : General Motors 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 achète du lithium à Livent et a investi dans la start-up californienne Lilac Solutions. Le Chili a annoncé en avril que tous les nouveaux projets de lithium émanant de partenaires privés devaient accélérer la commercialisation de la technologie DLE.
Actuellement, la plupart des projets DLE reposent sur la technologie d'adsorption. Le principe est d’adsorber des molécules de lithium à la surface de microbilles constituées de matériaux et de structures physiques soigneusement sélectionnés. Actuellement, la plupart des entreprises utilisent des variantes de l’adsorbant aluminium inventé il y a 60 ans.
Pat explique que les particules à base d'aluminium de SummitNanotech sont très poreuses et ont une surface conçue pour interagir électroniquement avec les ions lithium. Le diamètre des pores est comparable à celui des ions lithium, ce qui permet de capter plus de 90 % du lithium de la saumure, alors que les méthodes traditionnelles d'évaporation ne peuvent en récupérer que 40 à 65 %. Summit pompe la saumure à partir de colonnes de plusieurs dizaines de pieds de haut et plusieurs pieds de large remplies d'adsorbant. Une fois l'adsorbant rempli de lithium, le métal est emporté par l'eau tiède et l'adsorbant restant peut être réutilisé et l'eau recyclée. « Nos adsorbants exclusifs et nos processus de récupération de l'eau sont deux de nos piliers technologiques », a déclaré Patt.
Au cours des cinq années écoulées depuis la création de l'entreprise, Summit a continué à améliorer sa technologie et à l'appliquer à une usine pilote à Santiago, au Chili, a-t-il déclaré. L'entreprise construit actuellement une usine de démonstration capable de traiter 25 mètres cubes de saumure par jour et élabore des plans pour la première usine commerciale.
Livent et SunResin utilisent leurs propres adsorbants d'aluminium. Selon Goldman Sachs, trois producteurs chinois de lithium utilisent la technologie de SunResin depuis 2017, et cinq autres projets sont en cours.
Livent a été la première entreprise à mettre le DLE en application commerciale dès 1998. L'entreprise concentre la saumure dans de petits étangs avant de la traiter via un processus DLE, qui utilise moins de terre et d'eau que les étangs d'évaporation traditionnels. L’entreprise a augmenté sa production annuelle à 27 000 tonnes en 2019 et prévoit d’en produire 50 000 tonnes supplémentaires d’ici 2026.
La startup californienne Lilac Solutions adopte une approche différente du DLE, appelée échange d'ions. Le PDG David Snydacker a déclaré que les microbilles utilisées par l'entreprise ressemblent à des billes adsorbantes mais se comportent complètement différemment. Les microbilles absorbent le lithium en échange d'ions hydrogène. L’entreprise utilise ensuite de l’acide dilué pour éliminer le lithium.
L'échange d'ions est un processus couramment utilisé dans les applications quotidiennes telles que les adoucisseurs d'eau domestiques. Mais développer des matériaux d'échange lithium-ion plus utiles a toujours été l'objectif ultime, a déclaré 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 créer une céramique durable capable de résister à l’eau salée et au décapage. Il a déclaré que, alors que les précédents matériaux échangeurs d'ions en céramique se dégradaient après 10 cycles d'utilisation, le matériau Lilac peut durer plus de 2 000 cycles.
Le développeur australien de lithium, Lake Resources, teste actuellement la technologie de Lilac sur deux sites de projet éloignés, et Ford a signé un accord pour acheter 25 000 tonnes de lithium par an dans l'un des projets. Snidak a déclaré que Lilac installait une troisième usine pilote dans « l'une des plus grandes ressources de lithium au monde » et qu'elle annoncerait d'autres grands projets clients dans les mois à venir.
Les sociétés pétrolières et gazières canadiennes et américaines extraient souvent des saumures contenant du lithium, mais ces saumures ne contiennent que 30 à 40 milligrammes de lithium par litre, soit seulement 3 à 4 % des saumures chiliennes. Alex Wylie, président et chef de la direction de la startup VoltLithium de Calgary, a déclaré que c'était trop peu pour les adsorbants d'aujourd'hui.
Pour tirer parti de ces saumures de champs pétrolifères, Volta Lithium a développé des microbilles d'une largeur de 5 microns d'un composé adsorbant le lithium, qu'ils ont exposé à la saumure pour d'abord éliminer les autres contaminants de la saumure. Les microbilles sont beaucoup plus petites que les particules utilisées par d'autres sociétés, a-t-il déclaré : « Notre surface est donc 800 fois plus grande, ce qui nous permet d'extraire le lithium de l'eau à faible concentration. »
Des tests pilotes récents au projet de lithium Rainbow Lake de Volta, dans le nord-ouest de l'Alberta, ont montré 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 les installations pilotes de l'entreprise à Regina, en Saskatchewan. Walter Lithium construit actuellement une usine de démonstration qui testera des saumures provenant de toute l'Amérique du Nord.
L'équipe de la société comprend plusieurs anciens élèves de l'industrie pétrolière et gazière et se concentre sur les saumures pour champs pétrolifères. "L'infrastructure est déjà en place", a-t-il déclaré. "C'est un gros problème. Le lithium en saumure est produit tous les jours, mais il n'est tout simplement pas extrait."
Les poids lourds de l’industrie pétrolière et gazière s’impliquent dans le lithium, rapporte le Financial Times. ExxonMobil a récemment acheté un gisement de saumure contenant du lithium en Arkansas, et Chevron envisage également de produire du lithium.
Holly Stower, analyste chez Cleantech Group, a déclaré que le gouvernement américain est particulièrement intéressé par la capacité de développer plusieurs ressources nationales de lithium. "Alors que les États-Unis évoluent vers une économie à faibles émissions de carbone, le ministère de l'Énergie veut garantir qu'ils disposent d'un approvisionnement stable et sûr en lithium, résilient aux risques géopolitiques, et le DLE permet cela", a-t-elle déclaré.
Le ministère de l'Énergie investit des millions de dollars dans la nouvelle technologie DLE pour extraire le lithium des saumures géothermiques aux États-Unis, comme dans la mer de Salton en Californie, qui, selon les estimations du Laboratoire national des énergies renouvelables, pourrait fournir plus de 24 000 tonnes de lithium par an. Le ministère de l'Énergie a fourni à EnergyX le financement le plus important, soit 5 millions de dollars, et General Motors a également fourni à l'entreprise un financement de 50 millions de dollars. L’entreprise utilise une technologie hybride qui comprend une technologie d’adsorption et une membrane nanotechnologique brevetée capable de séparer le lithium presque instantanément en un jour ou deux.
On ne sait pas quelle technologie DLE l'emportera. "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", a-t-elle déclaré. Mais Hugo Nicolaci, analyste chez Goldman Sachs, a déclaré que toutes les technologies de séparation DLE actuellement testées avaient été utilisées à d'autres fins, ce qui devrait accélérer leur commercialisation. "On s'attend à ce que la première vague de véritables projets DLE apparaisse dans dix ans."