L’eau salée pourrait fournir tout le lithium nécessaire pour les batteries de véhicules électriques, mais son extraction est complexe. Les chercheurs peuvent-ils concevoir une méthode efficace ?
L’augmentation de la demande en véhicules électriques et en stockage d’énergie nécessite de plus en plus de lithium pour les batteries. Cependant, les dépôts traditionnels de lithium dans les roches dures (spodumène) sont limités et en déclin. Avec des ressources qui devraient diminuer, les scientifiques cherchent à extraire du lithium de l’eau salée des océans de la Terre.
Les mers salées pourraient fournir suffisamment de lithium pour satisfaire la demande si l’extraction est réalisée. Des études menées par des ingénieurs de l’Université de Nanjing, de l’Université de Californie à Berkeley et de l’Université King Abdullah de Sciences et de Technologie (KAUST) ont développé des méthodes novatrices pour extraire et stocker le lithium à partir de l’eau salée.
Le lithium existe dans l’eau salée comme dans les océans. Peut-il être facilement extrait ? Adapté des images utilisées avec la courtoisie de Canva et Wikimedia Commons
Extraction de lithium pour la chaîne d’approvisionnement
L’extraction du lithium de l’eau de mer n’est pas une nouveauté, mais plusieurs défis ont ralenti les avancées. Ceux-ci incluent de faibles concentrations de lithium dans un volume donné d’eau de mer et la présence d’autres ions, comme le sodium, le magnésium et le calcium.
Cependant, comme l’eau de mer contient environ 230 milliards de tonnes de lithium, de nombreuses ressources sont disponibles pour l’extraction. L’exploitation du lithium dans l’eau de mer pourrait devenir plus respectueuse de l’environnement que l’extraction traditionnelle, qui est énergivore. Cependant, les méthodes d’extraction coûtent 10 fois plus cher que l’extraction traditionnelle, donc davantage de développements doivent être réalisés avant que l’exploitation de l’eau de mer ne devienne économiquement viable.
Électrodes en phosphate de fer : une technologie fondamentale
Les développements dans l’extraction du lithium se sont tournés vers l’utilisation d’électrodes en phosphate de fer pour extraire le lithium de l’eau de mer. Les particules de phosphate de fer se sont révélées jusqu’à présent les plus efficaces pour éliminer le lithium d’un liquide dilué en raison de leur taille, charge et réactivité. Lorsqu’elles sont intégrées dans une électrode, les ions lithium sont attirés dans les pores des colonnes de phosphate de fer. Grâce à une ingénierie soignée, la structure poreuse des colonnes peut être ajustée pour exclure les ions sodium (les principaux ions extraits avec le lithium) tout en intercalant les ions lithium.
Des particules de phosphate de fer trop petites ou trop grandes ont tendance à permettre à plus d’ions sodium de s’intercaler au sein de l’électrode. Ainsi, la conception de l’électrode dépend de la taille des pores et de celle des particules de phosphate de fer. Des tailles de particules se situant entre les deux extrêmes favorisent les ions lithium d’un point de vue cinétique et thermodynamique.
Membrane en oxyde d’aluminium élimine le lithium
Des chercheurs de l’Université de Nanjing et de l’Université de Californie à Berkeley ont utilisé une approche d’extraction et de stockage de lithium alimentée par transpiration solaire pour extraire le lithium de la saumure. Cet appareil passif flotte sur la saumure et contient une membrane en oxyde d’aluminium incrustée de nanoparticules d’argent. Les électrodes en phosphate de fer dans l’appareil peuvent capturer sélectivement les ions lithium dans divers environnements saumâtres, y compris la mer Morte.
Lorsque la lumière du soleil atteint l’appareil, cela crée une pression à l’intérieur de l’appareil qui force les ions lithium à travers la membrane. Cela sépare les ions lithium de la saumure, et un frit céramique avec de petites pores stocke les ions lithium lorsqu’ils sont extraits de la saumure. Après que les ions ont été absorbés, ils sont libérés dans un compartiment d’eau douce. Tout au long du processus, l’oxydation des nanoparticules d’argent incrustées et la réduction à une électrode inverse associée atteignent un équilibre de charge. Elles maintiennent également les cations non lithium sur le côté salé de la membrane.
Un site d’extraction de lithium au Chili. Image utilisée avec la courtoisie de NASA
Extraction sans membrane élimine également le lithium de la saumure
Des chercheurs de KAUST ont utilisé des électrodes en phosphate de fer aux côtés d’électrodes redox en argent/halogène d’argent pour éliminer les ions lithium d’une solution de saumure et les déposer dans un compartiment d’eau douce. Leur appareil ne utilise pas de membrane. Au lieu de cela, l’appareil s’appuie sur les capacités redox des électrodes opposées (où l’oxydation et la réduction se produisent) pour empêcher d’autres cations de voyager de l’eau salée vers le compartiment d’eau douce. Les ions lithium extraits de la saumure sont stockés dans l’électrode en phosphate de fer. Jusqu’à présent, une cellule de plus grande taille de 33,75 mètres carrés a été testée avec un taux de récupération de 84 %.
La faisabilité à grande échelle doit être déterminée
Les méthodes d’extraction du lithium de l’eau salée ont montré des promesses lors de tests en laboratoire à petite échelle et à l’échelle pilote. Cependant, il est encore incertain si ces technologies seront économiquement viables une fois mises à l’échelle. L’augmentation des nouvelles technologies réduit leurs coûts, mais elles devront encore atteindre un prix acceptable pour que l’industrie puisse les adopter sans que les prix du lithium ne flambent.