Des chercheurs du MIT développent une technique à faible coût pour extraire le lithium des roches

Zach Winn

La demande de lithium a fortement augmenté ces dernières années, alors que les batteries lithium-ion alimentent de plus en plus notre monde. Et pourtant, même si des régions comme les États-Unis, l’Europe et l’Australie possèdent d’abondantes ressources en lithium sur leur territoire, la Chine domine le raffinage mondial du lithium. Le plus grand obstacle à l’exploitation du lithium aux États-Unis et en Australie est son extraction à partir de minéraux de roche dure sous une forme utile.

L’extraction du lithium à partir de roches dures est aujourd’hui un processus très énergivore et générateur de déchets, souvent bien plus coûteux que l’extraction du lithium à partir de saumure, qui présente également des inconvénients environnementaux majeurs. Actuellement, l’extraction du lithium de roche dure implique de cuire la roche à plus de 1 000 °C et de la lessiver chimiquement pour en extraire le lithium. Le reste de la roche est jeté.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du MIT et d’ailleurs a mis au point un procédé à basse température pour extraire du lithium de qualité batterie à partir du type le plus courant de minéral lithinifère. Ce procédé utilise un réactif liquide pour dissoudre la roche en formes utiles des éléments qui la composent : non seulement des sels de lithium prêts pour les batteries, mais aussi de l’alumine de qualité fonderie et de la silice prête pour le ciment. Après extraction des minéraux, le solvant et le réactif peuvent être récupérés et réutilisés, de sorte que les déchets sont quasiment nuls.

Les chercheurs estiment que ce procédé en boucle fermée coûte deux fois moins cher que l’extraction traditionnelle du lithium de roche dure et pourrait le rendre compétitif avec l’extraction du lithium à partir de saumure.

Un article décrivant ce procédé a été publié aujourd’hui dans Science. Les chercheurs ont déjà commencé à commercialiser la technologie via une start-up issue du MIT, Rock Zero.

« D’ici 2040, nous devons quadrupler la production mondiale de lithium, ce qui représente des centaines de nouvelles installations de production de lithium », explique Camden Hunt, ancien chef de projet au Center for Electrification and Decarbonization of Industry du MIT. « La roche dure est abondante ; on en trouve partout. Mais la majeure partie du raffinage de la roche dure se fait en Chine. Notre thèse centrale est que si l’on trouve un moyen plus simple de casser la roche, d’en extraire le lithium et de produire des sels de lithium de qualité batterie, on peut changer le marché du lithium. Cela s’aligne avec la récente pression pour la production locale de minéraux critiques aux États-Unis. »

Aux côtés de Hunt dans l’article figurent l’ancien postdoctorant du MIT Benjamin Mowbray, la doctorante Kalyn Fuelling, l’étudiante de premier cycle du MIT Jacqueline Prawira, Khashayar Jafari, ancien chercheur principal au MIT green cement spinout Sublime Systems, et Yet-Ming Chiang, professeur Kyocera de science et génie des matériaux au MIT.

Des salles de bains aux batteries

Cette recherche trouve ses origines dans une rénovation de salle de bains. Il y a environ 25 ans, alors que Chiang se rendait dans une quincaillerie pour chercher quelque chose qui rendrait des blocs de verre transparents translucides, il est tombé sur une crème à graver le verre qui fonctionne en « rongeant » la surface du verre. L’ingrédient actif s’est avéré être le fluorure d’ammonium.

Plus récemment, alors que Chiang réfléchissait à des moyens de décomposer chimiquement le minéral lithinifère le plus abondant, le spodumène, il repensa à cette crème à graver. Le spodumène, comme le verre, est principalement composé de silice. Les méthodes chimiques conventionnelles d’extraction des métaux à partir des minerais dissolvent préférentiellement les éléments les plus réactifs et laissent un résidu enrichi en silice en raison de la force des liaisons silicium-oxygène. En concevant leur procédé pour utiliser un mélange d’eau et de fluorure d’ammonium, les chercheurs sont capables de dissoudre la silice en premier, inversant ainsi le processus.

Les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient dissoudre la roche de spodumène à température ambiante, ce qui représentait une avancée par rapport aux procédés traditionnels nécessitant une chaleur extrême. Mais ce n’était encore que la première étape vers un système en boucle fermée produisant des matériaux utiles.

« Dissoudre la silice est la partie difficile dans l’exploitation minière », déclare Mowbray. « La question suivante était de savoir comment l’appliquer à des problèmes impactants de traitement des minéraux. »

Le minéral spodumène est principalement composé de trois éléments : le lithium, l’aluminium et la silice. Mowbray et Hunt, tous deux titulaires d’un doctorat en chimie, ont commencé à explorer des moyens de raffiner séparément ces composants après leur décomposition dans la solution de fluorure d’ammonium.

Dans un premier temps, les chercheurs ont isolé le fluorure de lithium, un intrant utile pour les matériaux d’électrolyte courants utilisés dans les batteries. Chiang, qui a fondé plusieurs entreprises de batteries au cours de sa carrière de plusieurs décennies au MIT, a ensuite demandé à l’équipe de recherche si elle pouvait isoler l’hydroxyde de lithium et le carbonate de lithium, deux sels de lithium utiles pour fabriquer des cathodes de batteries. Les chercheurs sont retournés au laboratoire et ont découvert qu’ils pouvaient produire les deux en développant de nouveaux procédés, dont certains impliquaient l’ajout de dioxyde de carbone ou de carbonate de sodium. Chiang a confié à l’équipe de recherche un défi similaire pour la partie aluminium de la roche, qui a été isolée à l’aide d’une technique de séparation à haute température, puis pour la silice, qui a été isolée par précipitation.

« Notre premier objectif était de produire ces produits, puis il y a eu des étapes supplémentaires pour caractériser leur pureté et leurs propriétés et s’assurer que nos produits répondaient aux spécifications des marchés cibles », explique Mowbray. « Pour les sels de lithium, nous avons identifié les spécifications de pureté du carbonate de lithium de qualité batterie, le sel de lithium le plus utilisé. Pour la silice, nous voulions qu’elle soit utilisée comme additif pour ciment, nous avons donc effectué des tests de réactivité du ciment et finalement créé des cubes de ciment à partir de celle-ci pour des tests de résistance selon des méthodes industrielles. Pour l’aluminium, nous avons visé l’aluminium de qualité fonderie. Si un produit ne répondait pas aux spécifications cibles, on se retrouvait avec un flux de déchets. »

Les chercheurs ont ensuite développé un procédé pour réutiliser le fluorure d’ammonium et l’eau qui déclenchent la réaction.

« Nous sommes capables de dissoudre la roche contenant le spodumène, ce qui libère tous les éléments, dont l’aluminium et le lithium », déclare Chiang. « La silice est dans la solution, mais en cours de route pour fabriquer du fluorure d’ammonium, du gaz ammoniac se dégage également. Si ce gaz ammoniac est ensuite réappliqué, il précipite à nouveau la silice. Cette séquence nous redonne le fluorure d’ammonium de départ. C’est pourquoi il s’agit d’un processus circulaire. »

Les chercheurs ont traité avec succès 17 sources différentes de roche de spodumène, démontrant ainsi sa large applicabilité à l’aide de roches du monde entier.

« Vous avez entendu parler de la consommation du nez à la queue ? », demande Chiang. « Nous appelons cela l’exploitation minière du nez à la queue. Nos chercheurs sont venus au MIT pour chercher des problèmes impactants à résoudre en matière de durabilité. Avec leurs compétences, il suffisait de les laisser s’attaquer à ce problème. Nous avons traversé toutes ces étapes, et pour chacune, je disais simplement : « Pouvez-vous faire cette prochaine étape ? » Et une semaine ou deux plus tard, ils disaient : « D’accord, nous avons montré que nous pouvons le faire. » C’est ainsi que tout ce processus a été construit. »

Mise à l’échelle du procédé

Chiang a ensuite mis son équipe de recherche au défi d’évaluer la faisabilité commerciale de leur nouveau système.

« Une fois que nous avons mis au point ces opérations de base, Yet nous a encouragés à faire quelques calculs », explique Mowbray. « Y a-t-il assez de spodumène dans le monde pour alimenter 100 térawattheures de production de batteries ? La question suivante était : si vous alimentez toutes les batteries du monde avec ce procédé, quels sont les volumes des coproduits ? Correspondent-ils aux marchés mondiaux des matières premières ? Ensuite, nous avons commencé à étudier le coût des réactifs, le coût de l’énergie, des équipements. Nous avons commencé à être convaincus que cela pourrait avoir un grand impact. »

Ce travail a une importance particulière pour Mowbray, qui a grandi dans une ville minière historique de la Colombie-Britannique rurale.

Les chercheurs ont travaillé avec le MIT Technology Licensing Office pour créer leur entreprise, Rock Zero, qui est maintenant située à The Engine et travaille à la mise à l’échelle du système.

« Nous pensons que cette approche est la méthode la moins énergivore et la moins coûteuse pour obtenir du lithium, non seulement à partir de roche dure, mais de manière générale », déclare Chiang. « C’est ce qui nous motive à passer à l’échelle. Cela permettra la transition énergétique grâce aux batteries utilisant le lithium. C’était l’un des objectifs du Climate Project au MIT : travailler sur des projets qui, en quelques années, pourraient passer du laboratoire à la commercialisation et avoir un impact. »

Article : Valorization of lithium hardrock concentrates into battery raw materials and commodity products – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT