Lithium

Les noyaux des deux isotopes stables du lithium (⁶Li et ⁷Li) comptent parmi les noyaux atomiques ayant l'énergie de liaison par nucléon la plus faible de tous les isotopes stables, ce qui signifie que ces noyaux sont en fait assez peu stables comparés à ceux des autres éléments légers. C'est pourquoi ils peuvent être utilisés dans des réactions de fission nucléaire comme de fusion nucléaire. C'est également la raison pour laquelle le lithium est moins abondant dans le système solaire que 25 des 32 éléments chimiques les plus légers11. Sa surabondance relative dans la nature par rapport aux prédictions des seules nucléosynthèses primordiale et stellaire s'explique en fait par sa nucléosynthèse interstellaire (phénomène de spallation cosmique) par bombardement d'éléments plus lourds par des rayons cosmiques.

Le lithium joue un rôle important en physique nucléaire. Le lithium sert à la production de tritium par la réaction : ⁶Li + n → ⁴He + ³H. Par ailleurs, le deutérure de lithium de formule ⁶Li²H sert de combustible à la bombe H.

Le lithium pur est un métal mou, de couleur gris argenté, qui se ternit et s'oxyde rapidement au contact de l'air et de l'eau, prenant une teinte gris foncé virant rapidement à l'anthracite et au noir. C'est l'élément solide le plus léger. Comme les autres métaux alcalins, le lithium métallique réagit facilement avec l'air et avec l'eau. Il est pour cette raison conservé dans de l'huile minérale pour le préserver de l'air.

Le lithium est utilisé pour produire des piles et batteries rechargeables ou à haute tension (71 %), par l'industrie du verre et des céramiques (14 %), des lubrifiants spéciaux, le traitement de l'air vicié par le CO₂, par la métallurgie et l'industrie du caoutchouc et des thermoplastiques, la chimie fine, la production d'alliages.

Très réactif, le lithium n'existe pas à l'état natif dans le milieu naturel, mais uniquement sous la forme de composés ioniques. On l'extrait de roches de type pegmatite, ainsi que d'argiles et de saumures. L'élément chimique est utilisé le plus souvent directement à partir des concentrés miniers. Pour l'obtenir industriellement à l'état métallique, on utilise la technique de l'électrolyse en sel fondu (55 % LiCl et 45 % KCl, à 400 °C).

Les réserves mondiales prouvées de lithium sont estimées par l'USGS, à la fin de 2021, à 22 Mt (millions de tonnes), dont 42 % au Chili, 26 % en Australie, 10 % en Argentine, 7 % en Chine et 3,4 % aux États-Unis ; l'ensemble des ressources identifiées est estimé à 89 millions de tonnes, dont 24 % en Bolivie, 21 % en Argentine, 11 % au Chili, 10 % aux États-Unis, 8 % en Australie et 6 % en Chine. La production mondiale, quant à elle, s'est élevée à 100 000 tonnes en 2021, assurée essentiellement par l'Australie (55 %), le Chili (26 %), la Chine (14 %) et l'Argentine (6 %).

Le lithium est présent à l'état de traces dans les océans et chez tous les êtres vivants. Il ne semble pas avoir de rôle biologique notable car les animaux et les végétaux peuvent vivre en bonne santé dans un milieu dépourvu de lithium. Les éventuelles fonctions non vitales du lithium n'ont pas non plus été élucidées, cependant l'administration d'ions Li⁺ sous forme de sels de lithium s'est révélée efficace comme thymorégulateur, notamment en cas de trouble bipolaire 12.

Histoire

Johan August Arfwedson, découvreur du lithium.

Le lithium (du grec λίθος (lithos) signifiant « pierre »13) fut découvert par le chimiste suédois Johan August Arfwedson en 1817 en analysant de la pétalite (LiAlSi₄O₁₀)14,15. En 1800 lors d'un voyage en Europe, José Bonifácio de Andrada e Silva découvrit un nouveau minéral sur l'île de Utö dans la commune de Haninge en Suède qu'il nomma pétalite16. C'est en analysant cette roche qu'Arfwedson, qui travaillait dans le laboratoire de Berzelius, identifia un nouvel élément jusque-là inconnu. Plus tard, il détecta le même élément dans des minéraux de spodumène (LiAlSi₂O₆) et de lépidolite (K(Li,Al)₃(Si,Al)₄O₁₀(F,OH)₂) eux aussi en provenance de l'île de Utö17. C'est pour souligner son origine minérale, contrairement aux deux autres alcalins connus à l'époque le potassium et le sodium qui avaient été découverts dans le règne végétal, que Berzelius suggéra de le nommer lithion15,18,19.

En 1818, Christian Gmelin (1792-1860) fut le premier à observer que ces sels (de lithium) donnaient une flamme rouge et brillante20.

Toutefois, les deux hommes cherchèrent à isoler l'élément de son sel mais n'y parvinrent pas. L'élément fut isolé par électrolyse d'un oxyde de lithium par William Thomas Brande et Sir Humphry Davy.

La production commerciale de lithium commença en 1923 par la firme allemande Metallgesellschaft AG qui utilisa l'électrolyse d'un mélange de chlorure de lithium et de chlorure de potassium fondu21.

Les différentes nations impliquées dans le développement de la bombe thermonucléaire à la fin des années 1940 et au début des années 1950 produisent du deutérure de lithium enrichi en lithium 6. Le lithium appauvri est introduit sur le marché des réactifs, augmentant significativement l'incertitude sur la masse atomique du lithium. En conséquence, la masse atomique d'échantillons de lithium (naturels et commerciaux) peut varier entre 6,938 7 et 6,995 9 u1.

Isotopes

Article détaillé : Isotopes du lithium.

Les deux isotopes stables du lithium présents dans la nature sont ⁶Li et ⁷Li, ce dernier étant le plus abondant (92,5 %)22,23.

En 2012, les radioisotopes ³Li, ⁴Li, ⁵Li, ⁸Li, ⁹Li, ¹⁰Li, ¹¹Li, ¹²Li et ¹³Li ont par ailleurs déjà été observés24. ¹²Li et ¹³Li sont ceux qui ont été découverts le plus récemment, en 200825. Parmi ces isotopes radioactifs les plus stables sont le ⁸Li avec une demi-vie de 838 ms et le ⁹Li avec une demi-vie de 178 ms26.

Abondance

Dans l'univers

Article détaillé : nucléosynthèse.

Nova Centauri 2013 est la première nova dans laquelle la présence de lithium a été identifiée27.

Selon la théorie moderne de la cosmologie, le lithium est l'un des trois éléments synthétisés au cours du Big Bang, sous forme de lithium 7 28. La quantité de lithium générée dépend du nombre de photons par baryon, mais l'abondance du lithium peut être calculée pour les valeurs couramment admises pour ce nombre. Il existe cependant une contradiction cosmologique concernant le lithium, les étoiles les plus anciennes semblant contenir moins de lithium qu'elles ne devraient alors que les plus jeunes en possèdent plus29. Une hypothèse est qu'au sein des étoiles les plus anciennes, le lithium est mélangé et détruit, alors qu'il est produit dans les étoiles les plus jeunes. Bien que le lithium se transmute en deux atomes d'hélium après collision avec un proton à des températures supérieures à 2,4 millions de degrés Celsius, l'abondance du lithium dans les étoiles les plus jeunes est plus importante que les modèles numériques ne le prévoient30. En 2017, douze étoiles de la Voie Lactée contenant jusqu'à 2 800 fois plus de lithium que le Soleil ont été observées ; ces étoiles n'ayant pas atteint la phase de géante rouge, le lithium qu'elles contiennent est supposé dater de la formation de celles-ci, mais sa présence demeure largement inexpliquée31.

Bien qu'il soit l'un des trois éléments synthétisés à l'origine de l'univers, le lithium, tout comme le béryllium et le bore, est nettement moins abondant que d'autres éléments. Cela s'explique par les faibles températures nécessaires à sa destruction et au manque de processus pour le produire32.

Sur Terre

Le lithium est bien moins abondant que les alcalins et alcalino-terreux usuels (Na, K, Mg, Ca) même s'il est largement distribué dans la nature. Dans la croûte terrestre, les estimations indiquent une concentration variant entre 20 et 70 parties par million (ppm) en poids (c'est-à-dire entre 20 et 70 mg/kg)33. À 20 mg par kg de croûte terrestre34, cela fait du lithium le 33^e élément le plus abondant sur Terre35. Bien qu'il soit présent dans toutes les régions du monde, on ne le trouve pas à l'état de métal pur du fait de sa réactivité importante avec l'eau et l'air35. Le lithium est présent en faible quantité dans les roches magmatiques, sa concentration la plus importante étant au sein des granites. Les pegmatites granitiques sont les minéraux présentant la plus forte abondance en lithium, le spodumène et la pétalite étant les sources les plus viables pour une exploitation commerciale33. La lépidolite contient elle aussi du lithium en quantité non négligeable36. Une autre source de lithium sont les argiles d'hectorite, exploitées notamment par la Western Lithium Corporation aux États-Unis37.

Le contenu en lithium total des eaux marines est estimé à 230 milliards de tonnes, avec une concentration relativement constante comprise entre 0,14 et 0,25 ppm38,39 ou 25 micromole40. On observe cependant des concentrations plus importantes, proches de 7 ppm, à proximité des monts hydrothermaux 39.

Biologique

Le lithium est trouvé à l'état de traces dans le plancton, dans de nombreuses plantes et invertébrés à des concentrations variant de 69 à 5 760 parties par milliard (ppb). Dans les tissus et fluides vitaux des vertébrés, la concentration varie de 21 à 763 ppb41. Les organismes marins accumulent davantage de lithium dans leurs tissus que leurs homologues terrestres42.

Le rôle du lithium dans le vivant est encore assez obscur41 mais des études nutritionnelles chez les mammifères l'impliquent comme facteur de bonne santé et suggèrent qu'il doit être considéré comme un élément-trace essentiel avec une Dose journalière admissible de l'ordre de 1 mg/jour43.

En 2011 une étude épidémiologique observationnelle semble indiquer un lien entre le taux de lithium dans l'eau de boisson et la longévité43.

Réserves terrestres et production

Les réserves mondiales prouvées sont estimées à 22 Mt (millions de tonnes) fin 2021 par l'Institut d'études géologiques des États-Unis (USGS) et les ressources identifiées atteindraient 89 Mt. Les réserves prouvées se répartissent pour l'essentiel entre le Chili (42 %), l'Australie (26 %), l'Argentine (10 %), la Chine (7 %) et les États-Unis (3,4 %). Les ressources identifiées sont situées surtout en Bolivie (24 %), en Argentine (21 %), au Chili (11 %), aux États-Unis (10 %), en Australie (8 %) et en Chine (6 %)44.

En 2021, la production mondiale de lithium est estimée à 100 000 tonnes par l'USGS, en progression de 21 % par rapport à 2020 (82 500 tonnes) en réponse à une demande mondiale estimée à 93 000 tonnes (+33 %). Les principaux producteurs sont l'Australie (55 %), le Chili (26 %), la Chine (14 %) et l'Argentine (6 %)44.

Des estimations de production légèrement supérieures sont données par BP, avec un total de 106 kt en 2021 ; BP estime les réserves à 20,25 Mt fin 202145.

Au rythme de 2021 (100 kt/an), les réserves (22 Mt)44 correspondent environ à 220 ans de production.

Production minière et réserves de lithium en tonnes44

Pays	Production 2018	Production 2019	Production 2020	Production 2021 estimée	Réserves prouvées	Ressources estimées
Argentine	6 400	6 300	5 900	6 200	2 200 000	19 000 000
Australie	58 800	45 000	39 700	55 000	5 700 000	7 300 000
Bolivie	nd	nd	nd	nd	nd	21 000 000
Brésil	300	2 400	1 420	1 500	95 000	470 000
Canada	2 400	200	nd	nd	nd	2 900 000
Chili	17 000	19 300	21 500	26 000	9 200 000	9 800 000
Chine	7 100	10 800	13 300	14 000	1 500 000	5 100 000
République démocratique du Congo	nd	nd	nd	nd	nd	3 000 000
États-Unis 45,b	900	900	900	900	750 000	9 100 000
Allemagne	nd	nd	nd	nd	nd	2 700 000
Mexique	nd	nd	nd	nd	nd	1 700 000
République tchèque 46	nd	nd	nd	nd	nd	1 300 000
Espagne	nd	nd	nd	nd	nd	300 000
Portugal	800	900	348	900	60 000	270 000
Mali	nd	nd	nd	nd	nd	700 000
Russie	nd	nd	nd	nd	nd	1 000 000
Serbie	nd	nd	nd	nd	nd	1 200 000
Zimbabwe	1 600	1 200	417	1 200	220 000	500 000
Total mondial	95 000	86 000	82 500	100 000	22 000 000	89 000 000

Les ressources d'autres pays non mentionnés dans ce tableau sont : Pérou 880 000 tonnes, Ghana 130 000 tonnes, Autriche 60 000 tonnes, Finlande 50 000 tonnes, Kazakhstan 50 000 tonnes, Namibie 50 000 tonnes44.

Gisements

Échantillons de lithium métallique.

Le lithium n'existe, en concentration permettant une exploitation économique rentable, qu'en très peu d'endroits sur Terre. C'est principalement une impureté des sels d'autres métaux alcalins, sous forme principalement de :

chlorure de lithium LiCl, essentiellement dans les saumures de certains vieux lacs salés continentaux et mélangés à d'autres sels de métaux alcalins, de certaines eaux géothermales ou de champs pétrolifères ;
silicates, dont le spodumène, LiAl (Si₂O₆) ou la pétalite (Li(AlSi₄O₁₀)) dans la pegmatite ;
hectorite, une sorte d'argile de formule NaO,4Mg₂,7LiO,3Si₄O₁₀(OH)₂, issue de l'altération de certaines roches volcaniques ;
jadarite, Li Na Si B₃O₇(OH) qui est un borate ;
rhassoul, une argile marocaine riche en stevensite (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ et lithium47).

Le plus grand gisement mondial est le salar d'Uyuni, dans le département de Potosí, dans le sud-ouest de la Bolivie. Représentant un tiers de la ressource mondiale, il intéresse notamment le groupe Bolloré 48. En mars 2008, la Bolivie a autorisé l'exploitation du lithium sur le désert de sel fossile d'Uyuni et la création d'une usine d'extraction48.

Le second plus grand gisement est le salar d'Atacama, au Chili qui est depuis 1997 le premier exportateur mondial, avec la compagnie allemande Chemetall comme opérateur principal48.

L'Argentine possède également un gisement de lithium, au salar del Hombre Muerto, à une centaine de kilomètres au nord d'Antofagasta de la Sierra, dans le nord-ouest du pays, difficile d'accès (seules des pistes en terre naturelle y mènent) mais exploité par FMC depuis 199549.

En Australie-Occidentale, dans la pegmatite des mines de Greenbushes, Talison Lithium Ltd extrayait vers 2010-2011 plus de 300 000 t/an de concentré de spodumène contenant 8 000 à 9 000 t de lithium (plus de 25 % de la production mondiale de lithium, dont les réserves prouvées et probables atteignent 31,4 millions de tonnes de minerai renfermant 1,43 % de lithium)49. Dans la même région, Galaxy Ressources a entamé en 2010 l'exploitation à ciel ouvert d'un gîte de pegmatite dans la mine de Mount Cattlin, proche de Ravensthorpe, visant une production de 137 000 t/an de concentré de spodumène à 6 % de Li₂O avec coproduction d'oxyde de tantale. En 2012, 54 047 t de concentré de spodumène ont été produites. Les réserves prouvées et probables sont de 10,7 Mt de minerai contenant 1,04 % de Li₂O et 146 ppm de Ta₂O₅ « principalement expédié en Chine et transformé en carbonate de lithium »50.

D'autres gisements sont exploités, notamment des lacs asséchés au Tibet 51, en Russie et aux États-Unis (Silver Peak, Nevada, exploité par Rockwood Lithium) ou au Zimbabwe (mine de Bikita, à ciel ouvert, avec 30 000 t/an de minerai à 4,45 % de Li₂O).

Images satellite des Salar del Hombre Muerto en Argentine (gauche) et d'Uyuni en Bolivie (droite). Les déserts de sel sont riches en lithium. Le lithium est extrait par concentration de la saumure après pompage et évaporation dans des marais salants (visibles sur l'image de gauche).

Les eaux géothermales de Salton Sea (Californie) sont aussi riches en lithium que les lacs salés boliviens et chiliens. Leur extraction avait été envisagée52, mais la société chargée du projet a fermé ses portes en 201553.

Au Canada, un gisement a été découvert en 2010 aux environs de la baie James, exploité par plusieurs entreprises, jusqu'à sa fermeture en 201454. Un projet de mine est à l'étude dans l'Abitibi 55.

En Afghanistan de très importantes réserves ont été mentionnées en juin 2010 dans la presse56.

Europe

L'Union européenne prévoit une multiplication par 18 de sa consommation de lithium entre 2020 et 2030. Or la quasi-totalité du lithium qu'elle utilise est importée. Une seule mine de lithium est active en Europe, au Portugal : elle extrait 1 200 tonnes par an qui servent à l'industrie de la céramique. Bruxelles estime que l'Europe pourrait d'ici à 2025 assurer 80 % des besoins de son industrie automobile, principal consommateur.

Toutefois, l'Institut d'études géologiques des États-Unis (USGS) estime en 2021 les réserves européennes (gisements de taille connue et économiquement exploitables) à 60 000 tonnes, soit 0,7 % des réserves mondiales, et les ressources (gisements découverts ou probables) à 7 % du total mondial. Cela permettrait au mieux de couvrir à peine la moitié de la demande pour les voitures électriques en 2030, selon un analyste de Natixis.[réf. nécessaire]

En France, des chercheurs du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) affirment, dans un article paru sur le site The Conversation, que, grâce aux gisements de lithium dans le Massif central ou dans les saumures géothermales d'Alsace, le pays pourrait être autonome pour le lithium, le potentiel minier dépassant les 200 000 tonnes de lithium métal57.

En Autriche, à proximité de Wolfsberg, European Lithium entend commencer à produire dès 2023. Le projet le plus avancé est celui de Mina do Barroso au nord du Portugal, où la société britannique Savannah Resources espère ouvrir prochainement une première mine dans le plus important gisement de spodumène en Europe. La population locale s'oppose à ce projet, craignant que l'extraction de minerais n'endommage les terres alentour58.

Rio Tinto annonce fin décembre 2021 la suspension de son projet de mine de lithium de la région de Jadar, au sud-ouest de la Serbie, après quatre semaines de manifestations monstres de la part de militants écologistes, qui craignent une pollution des champs de maïs. Le projet prévoyait le début de la commercialisation en 2026 et une production de 58 000 tonnes par an à partir de 2029, soit assez pour équiper un million de voitures électriques59. Le 20 janvier 2022, le gouvernement serbe annonce avoir retiré les permis d'exploitation, mettant un point final au projet60.

En Espagne, l'Estrémadure, région proche du Portugal, recèle d'importants gisements de lithium. La compagnie Lithium Iberia, constituée par un groupe d'entrepreneurs et d'ingénieurs espagnols, développe un projet de mine à Las Navas, dans la commune de Cañaveral, qui devrait produire à partir de 2024 pendant 20 ans 30 000 à 35 000 tonnes par an d'hydroxyde de lithium, durée qui pourrait être prolongée de dix ans. De son côté, la compagnie australienne Infinity Lithium menait des recherches pour exploiter une mine à ciel ouvert près de San José, à Cáceres. Mais ce projet se heurte à une opposition farouche de la population et des élus municipaux, malgré la présentation en octobre 2021 d'une nouvelle version, qui passerait de l'exploitation à ciel ouvert à une exploitation en galeries et offrirait de nouvelles garanties pour la restauration des lieux61.

Le producteur de lithium germano-australien Vulcan Energy Resources envisage une exploitation raisonnée de lithium en Allemagne par extraction de saumure avec réinjection de cette saumure une fois traitée, réduisant drastiquement son empreinte carbone.[réf. nécessaire] Vulcan Energy s’engage en 2021 à fournir à Stellantis entre 81 000 et 99 000 tonnes d’hydroxyde de lithium sur cinq ans à partir de 202662. Vulcan Energy Resources, créée en 2018 en Australie, développe un projet d'extraction de lithium de quatre sites géothermiques de la vallée du Rhin. L'eau chaude et salée sera extraite à plus de trois kilomètres de profondeur, puis filtrée pour récupérer le lithium, lequel sera ensuite concentré sur place puis raffiné à Francfort. La chaleur de cette eau à 165 °C sera utilisée pour produire de l'énergie verte, dont une moitié sera utilisée pour le procédé et l'autre revendue aux collectivités locales. Vulcan dispose d'une dizaine de licences en Allemagne et d'une autre en Italie et espère, avec le soutien de Renault et Stellantis, en acquérir en France, en Alsace, où le potentiel est important. Stellantis annonce le 24 juin 2022 avoir investi 50 millions d'euros pour prendre 8 % de Vulcan Energy Resources, qui a signé des contrats avec Renault, Volkswagen, Umicore et LG63. En septembre 2022, le premier pilote de son procédé fonctionne à la centrale géothermique d'Insheim, près de Karlsruhe, opérationnelle depuis 2012. Une deuxième installation pilote du procédé doit multiplier les volumes par 200 d'ici à la fin de 2022. La production doit démarrer fin 2024 ; elle est censée atteindre un volume de plus de 50 000 tonnes d'hydroxyde de lithium par an en 2027, à l'issue de plus de 2 milliards d'euros d'investissements64.

Les projets de mines de lithium en Europe se multiplient donc : Syväjärvi en Finlande, Cinovec en Tchéquie, Zinnwald, Brichsal et Karlsruhe en Allemagne, Wolfsberg en Autriche, Soultz-sous-Forêts en Alsace, Échassières dans l'Allier, ou Barroso au Portugal. Mais la plupart de ces gisements sont de petite taille. Selon un rapport de l'université de Louvain, ils pourraient représenter une production de l'ordre de 130 000 tonnes annuelles en 2030, et les projets de raffineries atteindraient 155 000 tonnes, mais ces estimations étaient optimistes car elles prenaient en compte le projet minier de Rio Tinto dans la vallée de Jadar qui a été stoppé par Belgrade.

D'après Eramet, les projets en cours permettraient de répondre au mieux à 15 à 20 % des besoins européens en 2030. Le potentiel du recyclage pourrait être plus important : l'université de Louvain l'estime à 150 000 tonnes en 2030 et 600 000 tonnes en 2050 pour une demande de 700 000 à 860 000 tonnes65.

France

En France métropolitaine, un petit gisement (« gîte de gros tonnage à faible teneur en Sn, Ta-Nb, Li, Be », encore inexploité) a été identifié en 1986 par le Bureau de recherches géologiques et minières à Tréguennec (Finistère) sur le site de l'ancienne carrière de Prat-ar-Hastel66,67. Quelques gisements ont déjà été ponctuellement exploités dans de la lépidolite dans le nord-ouest du Massif central surtout et moindrement dans de la pétalite et amblygonite (à Échassières, à Montrebas ou dans les monts d'Ambazac). En 2015, seul le site d’Echassières en fournit (exploité par le groupe Imerys), comme coproduit de l'exploitation de kaolin, sables et granulats ; le gîte est lié à un apex leucogranitique différencié (à albite). Son potentiel a été estimé par le BRGM à 280 000 t de Li₂O, à 0,7 %, sous forme de lépidolite disséminée (mica lithinifère), accompagné de 20 000 t de Sn, 5 000 t de WO₃ et 5 000 t de Ta-Nb. Le minerai est assez difficile à exploiter en raison de sa richesse en fer et en fluor68.

Le BRGM a publié en 2019 un rapport de synthèse sur les ressources en lithium de la France, qui conclut que « les productions de carbonates ou d’hydroxyde de lithium à partir de roche dure actuellement sont tirées exclusivement de pegmatites LCT sous-type spodumène ; à l’exception de très rares indices, ce type d’objet n’existe pas en France métropolitaine. Une production de lithium à partir de roche dure ne pourrait donc être réalisée qu’avec le développement de procédés d’extraction du lithium d’échelle industrielle à partir de minéraux comme la série de la lépidolite, de la zinnwaldite et de la série amblygonite-montebrasite. » Il évalue les ressources en Li₂O à 23 564 t de « ressources mesurées » (gisement de Beauvoir, en exploitation) plus 65 895 t de « ressources indiquées » (gisement de Tréguennec c) et 443 200 t de « ressources supposées »72.

Dans son rapport, le BRGM ajoute que 41 sites potentiels sont recensés en France, essentiellement en Alsace et dans une diagonale allant du Massif armoricain au Massif central 73.

La plaine d'Alsace recèle du lithium dans des aquifères très profonds (entre 1 000 et 4 000 mètres), dans des grès déposés il y a 235 millions d’années. Le tonnage utile était estimé par le BRGM à environ un million de tonnes de lithium métal en 2017. L’Association française des professionnels de la géothermie (AFPG) évalue en 2021 la coproduction possible de lithium en Alsace à 15 000 tonnes par an sur dix sites géothermiques74,75. De fait, les sociétés ES Géothermie et Fonroche Géothermie, qui exploitent le sous-sol alsacien pour la production de chaleur et d'électricité par géothermie, annoncent en novembre 2019 que les eaux chaudes qui remontent du sous-sol alsacien contiennent 180 à 200 mg de lithium par litre. Elles estiment donc la possibilité de fourniture par site à l'équivalent de 1 500 tonnes de carbonate de lithium (LCE) par an.

Globalement, les réserves de LCE du fossé rhénan sont estimées entre 10 et 40 millions de tonnes. Les besoins de l'industrie française, notamment automobile, s'élèvent à 15 000 tonnes de LCE par an76. Ainsi, en Alsace, Eramet s'intéresse à la saumure des stations géothermales du fossé rhénan, tout comme Vulcan Energy Resources, côté allemand. Un projet pilote mené par Eramet a déjà permis de raffiner du carbonate de lithium de qualité batterie à partir d'un des sites géothermiques d'ES Géothermie ; la start-up Geolith a aussi des projets à Haguenau ; Lithium de France, filiale du groupe Arverne, s'est implantée à Bischwiller dans l'objectif de produire en même temps de la chaleur et du lithium et vient d'obtenir un permis exclusif de recherche de sites géothermiques dans le Nord Alsace. La start-up strasbourgeoise Viridian annonce la construction, à Lauterbourg (Bas-Rhin), de la première raffinerie de lithium en France, d'une capacité de 25 000 t d'hydroxyde de lithium en 2025, avec une capacité d'expansion jusqu'à 100 000 t/an d'ici à 2030, en exploitant un procédé qui réduirait fortement les émissions de CO₂77.

La recherche de gisements se poursuit en métropole, par exemple en septembre 2020, par une demande de permis exclusif de recherches de lithium et substances connexes (« Permis de bassin de la Limagne », pour cinq ans, sur 707 km 2 dans la région de Clermont-Ferrand), déposée par la société Fonroche Géothermie. Elle fait suite à des études géochimiques du BRGM, qui ont mis en évidence dans le secteur de Riom des eaux souterraines très chaudes78[réf. incomplète] contenant 80 mg/l ou plus de lithium79.

En octobre 2022, Imerys annonce en France « l'un des plus grands projets d'extraction de lithium » européens, d'ici 2027, sur le site de Beauvoir dans l'Allier. Dans cette carrière, ouverte depuis 1850, sont extraites chaque année quelque 30 000 tonnes de kaolin. Le site a été racheté en 2005 par Imerys80 qui prévoit d'y produire 34 000 tonnes d'hydroxyde de lithium par an à partir de 2028, de quoi équiper 700000 voitures électriques — et de limiter au maximum l'empreinte carbone de l'extraction : 8 tonnes de CO₂ par tonne d'hydroxyde de lithium, contre 15 à 20 t pour des projets similaires en Asie et en Australie81.

Dans les territoires d'outre-mer, des indices ponctuels d'une faible présence de minéraux à lithium ont été trouvés en Guyane par le BRGM82.

Production

Production mondiale de lithium en milliers de tonnes par an. N.B. : ce graphique, se réfère aux tonnages de minerais exploités, avec une teneur moyenne d'environ 6 à 7 % de lithium, et non au contenu en lithium pur (source USGS83).

L'USGS estime la production mondiale en 2021 à 100 000 tonnes (2019 : 86 000 tonnes ; 2020 : 82 500 tonnes), dont 55 000 tonnes en Australie, 26 000 tonnes au Chili, 14 000 tonnes en Chine et 6 200 tonnes en Argentine44.

En 2017, 136 petites compagnies ont investi 157 millions de dollars dans la recherche du lithium, un doublement par rapport à 201684.

Entre 2005 et 2015, la production a augmenté de 20 % par an, passant de 16 600 à 31 500 tonnes par an. Portée par la demande, cette hausse a eu pour conséquence une augmentation du prix du lithium85, qui à son tour a suscité la réouverture de mines fermées antérieurement, comme la mine à ciel ouvert de Mt Cattlin en Australie, ainsi que la relance de la recherche géologique : de nouveaux gisements ont été découverts, dans le Nevada, en Serbie et au nord du Mexique. De nombreux projets de nouvelles mines sont en développement : une étude de Citigroup en a recensé seize, notamment au Canada, aux États-Unis, en Australie et en Argentine. La structure d'oligopole formée par quatre entreprises qui ont produit la majorité du métal consommé en 2014 va disparaître ; ces quatre grands sont les Américains Albemarle (par l'intermédiaire de ses filiales Rockwood Lithium, Talison Lithium, etc.) et FMC, le Chilien Sociedad Química y Minera de Chile (SQM) et le Chinois Tianqi86.

Le « triangle du lithium », réparti entre le Chili, l'Argentine et la Bolivie, recèlerait 85 % des réserves mondiales. En Argentine, les investissements d'exploration ont explosé : +928 % depuis 2015. Plus d'une vingtaine d'entreprises étrangères mènent des projets ; deux mines sont en activité et une est en construction en 2019. Au Chili, l'exploitation du lithium est supervisée par l'État et l'organisme gouvernemental Corfo attribue des quotas de production aux entreprises, principalement la chilienne SQM, la chinoise Tianqi, qui a racheté 24 % des parts de SQM en 2018, et l'américaine Albemarle. En Bolivie, le gouvernement d'Evo Morales contrôle l'exploitation du métal, même si sa production est bien inférieure à celle de ses voisins ; la firme nationale YLB a signé des accords de partenariats avec l'entreprise allemande ACI Systems et le chinois Xinjiang Tbea. Des projets de construction d'usines de batteries sont envisagés au Chili et en Bolivie87.

Des scientifiques de l’Institut de technologie de Karlsruhe déposent en 2020 un brevet pour un processus d'extraction du lithium contenu dans les eaux profondes du fossé rhénan supérieur lors de leur passage dans les centrales géothermiques. Une installation d’essai est en cours de construction dans une de ces centrales. La concentration en lithium dans ces eaux irait jusqu’à 200 milligrammes par litre. En traitant les deux milliards de litres d’eau du Rhin qui transitent chaque année par les centrales géothermiques, des centaines de tonnes de lithium pourraient être extraites de façon rentable et sans effets négatifs sur l’environnement88.

Des chercheurs de l’université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST), en Arabie saoudite, affirment en juin 2021 avoir mis au point une cellule électrochimique permettant d’extraire à un coût intéressant le lithium contenu dans l’eau de mer, dont les réserves sont selon eux 5 000 fois supérieures à celles des gisements terrestres (voir plus haut). Les coproduits de ce procédé seraient de l'hydrogène et du chlore, le premier étant également intéressant pour le secteur des transports89,90.

Propriétés

Raies spectrales du lithium en couleur.

Raies spectrales.

Le lithium est le métal ayant la plus faible masse molaire et la plus faible densité, avec une masse volumique inférieure de moitié à celle de l'eau. Conformément à la loi de Dulong et Petit, c'est le solide ayant la plus grande chaleur massique.

Comme les autres métaux alcalins, le lithium réagit facilement au contact de l'eau ou de l'air (cependant moins que le sodium) ; il n'existe pas à l'état natif.

Lorsqu'il est placé au-dessus d'une flamme, celle-ci prend une couleur cramoisie mais lorsqu'il commence à brûler, la flamme devient d'un blanc très brillant. En solution, il forme des ions Li⁺.

Propriétés physiques

Lithium flottant dans de l'huile.

Le lithium a une masse volumique très faible de 0,534 g/cm³, du même ordre de grandeur que le bois de sapin. C'est le moins dense de tous les éléments solides à température ambiante, le suivant étant le potassium avec une densité 60 % plus élevée (0,862 g/cm³). De plus, hormis l'hydrogène et l'hélium, il est moins dense que tous les autres éléments à l'état liquide. Sa densité est de deux tiers de celle de l'azote liquide (0,808 g/cm³)91.

Le lithium peut flotter sur les huiles d'hydrocarbure les plus légères et est, avec le sodium et le potassium, l'un des rares métaux pouvant flotter sur l'eau.

Utilisation

Estimation des usages du lithium à l'échelle mondiale en 202092.

Piles et batteries (71 %)
Verres et céramiques (14 %)
Graisses lubrifiantes (4 %)
Polymères (2 %)
Coulée continue (2 %)
Traitement de l'air (1 %)
Autres usages (6 %)

En 2020, le lithium est utilisé pour réaliser des piles et des batteries au lithium (71 % de la production de lithium), des verres et des céramiques (14 %), pour les graisses lubrifiantes (4 %), et à des taux moindres pour les matériaux comme dans la métallurgie (coulée continue : 2 %), la production de polymères (3 %), ainsi que pour le traitement de l'air (recyclage de l'air dans des espaces confinés : 1 %)92,93.

Estimation de l'évolution des usages du lithium à l'échelle mondiale (2006-2020)92.
Stockage de l'électricité

Articles détaillés : Pile au lithium, Accumulateur lithium et Accumulateur lithium-ion.

Le lithium est souvent utilisé dans les électrodes 94 de batterie du fait de son grand potentiel électrochimique. Les batteries lithium sont très utilisées dans le domaine des systèmes embarqués du fait de leur grande densité énergétique aussi bien massique que volumique. En 2020, c'est le premier usage du lithium à l'échelle mondiale : 71 %92.

Carburant pour fusées et missiles

Le lithium sous forme métallique ou d'aluminate est utilisé comme additif à haute énergie pour la propulsion des fusées95. Sous cette forme, il peut aussi être utilisé comme combustible solide 96.

Verres et céramiques

Le lithium est parfois utilisé dans les verres et les céramiques à faible expansion thermique, comme pour le miroir de 200 pouces du télescope Hale du Mont Palomar 97 ; par ailleurs, il réagit faiblement aux rayons X, les verres au lithium (méta- et tétraborate de lithium) sont donc utilisés pour dissoudre des oxydes (méthode de la perle fondue) en spectrométrie de fluorescence des rayons X.

Graisses lubrifiantes

La troisième utilisation la plus courante du lithium est celle des graisses lubrifiantes. L'hydroxyde de lithium est une base qui, lorsqu'elle est chauffée avec une graisse, produit un savon composé de stéarate de lithium. Le savon au lithium a la capacité d'épaissir les huiles et il est utilisé pour fabriquer des graisses lubrifiantes à haute température98,99,100.

Polymères

Les organolithiens sont utilisés dans la synthèse et la polymérisation des élastomères[réf. nécessaire].

Métallurgie

Le lithium (par exemple sous forme de carbonate de lithium) est utilisé comme additif dans les laitiers de coulée continue où il augmente la fluidité101, une utilisation qui représente 2 % de l'utilisation mondiale de lithium en 202092. Les composés du lithium sont également utilisés comme additifs dans le sable de fonderie pour la fonte afin de réduire le veinage102.

Lorsqu'il est utilisé comme flux de brasage pour le soudage ou le brasage, le lithium métallique favorise la fusion des métaux durant le processus103 et élimine la formation d'oxydes en absorbant les impuretés104. Les alliages métallique du lithium avec l'aluminium, le cadmium, le cuivre et le manganèse sont utilisés pour fabriquer des pièces d'aéronefs à haute performance (les alliages aluminium-lithium (en) sont utilisés en France sur le Rafale)105.

Traitement de l'air

Le chlorure de lithium et le bromure de lithium sont extrêmement hygroscopiques et sont utilisés comme dessiccants 98.

L'hydroxyde de lithium et le peroxyde de lithium (Li₂O₂) sont les sels les plus utilisés dans les endroits confinés, comme à bord des engins spatiaux et des sous-marins, pour éliminer le dioxyde de carbone et purifier l'air. L'hydroxyde de lithium absorbe le dioxyde de carbone de l'air en formant du carbonate de lithium et est préféré aux autres hydroxydes alcalins à cause de son faible poids.

En présence d'humidité le peroxyde de lithium réagit avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate de lithium, mais libère également de l'oxygène106,107. La réaction chimique est la suivante :

2 Li₂O₂ + 2 CO₂ → 2 Li₂CO₃ + O₂

Pour ces raisons, certains des composés mentionnés, ainsi que le perchlorate de lithium, sont utilisés dans les générateurs d'oxygène qui alimentent les sous-marins en oxygène108.

Énergie

Selon Bernard Bigot, physicien et directeur du projet ITER, 1 g de lithium et 50 litres d'eau suffisent pour extraire les isotopes de l'hydrogène nécessaires à la production de la consommation électrique d'une vie terrestre occidentale, énergie électrique alors produite sans déchet par fusion thermonucléaire 109,110.

Médecine

Article détaillé : Sel de lithium.

Le lithium est utilisé depuis longtemps dans le traitement des troubles bipolaires. Il reste le traitement de référence avec lequel les autres thymorégulateurs sont comparés. Le principe actif des sels de lithium est l'ion Li+, bien que les mécanismes d'actions précis soient encore débattus.

Les sels de lithium, comme le carbonate de lithium, le citrate de lithium ou l'orotate de lithium, sont utilisés comme régulateurs de l'humeur pour le traitement des troubles bipolaires (anciennement psychose maniaco-dépressive)111,112. Toutefois, ce métal possède une néphrotoxicité non négligeable, et il est nécessaire de réaliser un bilan rénal en début de traitement et de doser le lithium sanguin mensuellement.

Le lithium est aussi utilisé avec certains antidépresseurs tel la fluoxétine pour traiter les troubles obsessionnels compulsifs.

Le gluconate de lithium est utilisé en dermatologie comme anti-allergénique et dans le traitement de la dermite séborrhéique du visage chez l'adulte.

Le lithium est utilisé dans les troubles du sommeil et l'irritabilité en oligothérapie (malgré l'absence d'activité spécifiquement démontrée).

Le lithium pourrait ralentir la progression de la sclérose latérale amyotrophique (SLA), selon les résultats d'une étude pilote publiés dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Autres usages

Article détaillé : Contrôle des matières nucléaires.

Le lithium est un agent réducteur et/ou complexant utilisé pour la synthèse de composés organiques.
Les sels de lithium sont utilisés pour le transfert de chaleur par convection.
Pour la production de tritium par réaction nucléaire, qui est ensuite utilisé pour la fusion nucléaire (cf. section Énergie).
Le lithium est, avec le potassium, un de deux alcalins possédant un isotope fermionique stable, d'où son intérêt pour l'étude des gaz ultrafroids fermioniques dégénérés.

Le lithium 6 est une matière nucléaire dont la détention est réglementée113.

Économie, consommation

La demande ayant explosé, notamment pour la production de batteries lithium-ion pour le marché de l'informatique et de la téléphonie, le prix du lithium est passé d'environ 310 à 2 000 €/t (350 à près de 3 000 $/t) entre 2003 et 200848, et dépasse 9 000 $/t en 2017114.

Un rapport de la Banque mondiale publié en juillet 2017115 prévoit que le développement des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'électricité produite par les sources éoliennes et solaires pourrait entraîner un bond de 1000 % de la demande de lithium, si le monde prend les mesures requises pour contenir l'élévation de la température nettement en dessous de 2 °C par rapport aux niveaux préindustriels.

Les analystes de la banque Morgan Stanley prévoient toutefois, en avril 2018116 une chute de 45 % du prix du lithium d'ici à 2021 grâce aux nombreux projets en développement au Chili, qui pourraient augmenter l'offre mondiale de 500 000 t/an. Les experts de Wood Mackenzie prévoient également que dès 2019, la hausse de l'offre commencera à dépasser celle de la demande et que le niveau des prix déclinera en conséquence.

Selon un rapport gouvernemental chinois cité en mai 2019 par un média hongkongais, la Chine serait désormais capable de diviser par huit le coût d’extraction du lithium : de 17 000 $ par tonne actuellement facturés en moyenne sur les contrats à longs terme, il passerait à moins de 2 200 $. Avec une telle opportunité et la présence de la quatrième plus grande réserve de lithium au monde dans ses sols117, la Chine deviendrait un acteur incontournable dans la production de batteries 118.

Politique

En avril 2022, le Parlement mexicain adopte une loi interdisant toute nouvelle concession d'exploitation du lithium dans le pays et le gouvernement envisage la nationalisation de ses ressources. Selon le président Andrés Manuel López Obrador, son prédécesseur Enrique Peña Nieto aurait accordé 150 000 hectares de concessions. Le projet majeur est celui d'une entreprise à capitaux chinois, Bacanora, qui revendique dix concessions minières couvrant environ 100 000 hectares dans l'État de Sonora, où elle compte commencer sa production dès 2023, avec pour objectif 35 000 tonnes de lithium par an119,120. Le 23 août 2022, un décret du gouvernement mexicain crée l'entreprise d'État Litio para Mexico (« Lithium pour le Mexique »), ou « LitioMx », avec pour mission « l'exploration, l'exploitation » du lithium sur le territoire national « ainsi que l'administration et le contrôle des chaînes de valeur économique ». L'entreprise devra être opérationnelle dans un délai de six mois121.

En France, en décembre 2021, la ministre de la Transition écologique, Barbara Pompili, se déclare favorable à une ouverture de mines de lithium en France122.

Ressource, environnement

Pénurie

Le lithium est nécessaire à la fabrication des batteries lithium-ion de voitures électriques et hybrides actuelles. Le risque de pénurie, en l'état actuel des technologies, est important123. Le cabinet Meridian International Research estimait en 2007 que les réserves ne suffiront pas même au remplacement initial du parc mondial de voitures, avant même que le recyclage du lithium puisse être pris en compte124.

En 2015, une explosion de la demande pour les voitures électriques a entraîné une tension sur le marché du lithium ; les prix du carbonate de lithium ont commencé à grimper en Asie, jusqu'à atteindre des records en octobre 2017. Depuis, avec l'afflux de production, ils ont chuté de 40 %, puis se sont stabilisés autour de 12 000 $ la tonne en 2019. D'après les analystes de Roskill, la demande dépassera 1 million de tonnes d'équivalent carbonate de lithium (LCE) d'ici à 2026, contre un peu plus de 320 000 tonnes en 2018. Goldman Sachs estime, de son côté, qu'il faudra quadrupler la production dans les dix ans à venir125.

Des alternatives aux batteries au lithium sont recherchées : des batteries sodium-ion, en développement depuis les années 2010, pourraient être moins chères et contourner le problème de réserves, mais elles sont encore peu performantes ; de même pour les accumulateurs lithium fer phosphate.

Impact de l'extraction

Le lithium métallique réagit avec l'azote, l'oxygène et la vapeur d'eau dans l'air. Par conséquent, la surface de lithium devient un mélange d'hydroxyde de lithium (LiOH) corrosif du fait de son pH fortement basique, de carbonate de lithium (Li₂CO₃) et de nitrure de lithium (Li₃N). Une attention particulière devrait être portée aux organismes aquatiques, exposés à la toxicité des sels de lithium126,127.

L’extraction du lithium a un impact environnemental important. En effet, le procédé d'extraction consiste à :

pomper la saumure présente dans le sous-sol des lacs salés ;
augmenter la concentration de la saumure par évaporation ;
purifier et traiter la saumure au chlore afin d’obtenir le carbonate de lithium (Li₂CO₃) pur à 99 % ;
effectuer la calcination du carbonate pour obtenir l'oxyde Li₂O.

Pour pomper la saumure, on a besoin de carburant ; puis, l'évaporation nécessite de larges espaces de salins ; enfin, la calcination du carbonate de lithium libère du CO₂128,129.

Les populations locales, aux abords des sites d'extraction, sont affectées par la contamination de leurs sols. Sur le plateau tibétain, autour des lacs asséchés, les cancers se multiplient, du fait des solvants utilisés pour la production, et le lithium présent dans les sources d'eau provoque des intoxications130[source insuffisante].

Enfin, la croissance de la demande stimule la recherche et l'exploration de nouveaux gisements, ce qui conduit, selon l'association Les Amis de la Terre, à bafouer les droits collectifs à la terre des peuples indigènes, pourtant prévus par la convention 169 de l'OIT 131.

Recyclage

Le lithium des piles et batteries est longtemps resté peu recyclé en raison du faible taux de collecte, des prix bas et volatils du lithium sur les marchés, et de coûts réputés élevés du recyclage, comparés à ceux de la production primaire49.

La première usine de recyclage de lithium métal et de batteries lithium-ion fonctionne depuis 1992 en Colombie britannique, au Canada. Aux États-Unis, une usine de recyclage de batteries lithium-ion de véhicules électriques fonctionne depuis 2015 à Lancaster (Ohio). Sept autres compagnies localisées au Canada et aux États-Unis ont commencé ou vont commencer le recyclage92.

En 2009, le groupe japonais Nippon Mining & Metals annonce qu'il va, avec l'aide du METI et à la suite d'un appel à projets de ce dernier, mettre en fonction dès 2011 une unité industrielle de recyclage des cathodes de batteries lithium-ion, afin de récupérer le cobalt, le nickel, le lithium et le manganèse 132.

Le recyclage se développe également en Europe, notamment en Belgique, par Umicore à Hoboken, par voie pyrométallurgique, et en France, par Récupyl à Domène, par voie hydrométallurgique 49. La liquidation judiciaire de Récupyl est prononcée le 7 août 2018133.

La Société nouvelle d'affinage des métaux (Snam) à Viviez (Aveyron), filiale du holding belge Floridienne, retraite 6 000 tonnes d'accumulateurs par an, dont 8 % de batteries d'automobiles en 2017 ; elle fabriquera à partir de 2018 des batteries avec les composants recyclés. SNAM ouvrira d'abord au printemps 2018 un atelier pilote de batteries lithium-ion recyclées. Pour la fabrication en série, l'entreprise cherche un nouveau site dans l'Aveyron pour ouvrir en 2019 une usine d'une capacité de 20 MWh par an. Elle améliorera ensuite les procédés pour passer à 4 000 MWh par an vers 2025. Les constructeurs automobiles ne voulant pas de batteries recyclées, la société vise le marché en croissance du stockage de l'électricité dans l'industrie, le bâtiment et les énergies renouvelables134.

Des études portent sur de nouveaux moyens[Lesquels ?] de recycler le lithium des batteries135. Le lithium contenu dans les verres et céramiques reste toutefois trop diffus pour être récupéré.

Commerce

La France était importatrice nette de lithium en 2014, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 7 900 €136.

Notes et références

Notes

Cette masse atomique est celle d'un échantillon de référence. La masse atomique du lithium peut varier entre 6,938 7 et 6,995 9 u, soit M = 6,967 ± 0,03 u, avec un écart significatif entre le lithium naturel non contaminé par le lithium enrichi en ⁷Li et le lithium commercial1,2. Norman Holden suggère1 que la masse atomique du lithium soit prise égale à 6,94 ± 0,06 u, soit avec une erreur de 0,9 %.

Les statistiques de production de l'USGS excluent les États-Unis pour cause de secret commercial.

Ce gisement, très riche, est situé sur une zone côtière gérée par le Conservatoire du littoral, et donc dans un espace naturel protégé, ce qui rend difficile une possible exploitation69,70 ; cela d'autant plus que le maire de Tréguennec est très hostile à cette perspective d'extraction71.

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Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

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lithium, sur le Wiktionnaire

Bibliographie

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Articles de périodiques

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Rapports

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Liens externes

Dominique Larcher, « Le lithium : histoire, synthèse, réactivité, usages » [archive], conférence, Collège de France, 22 février 2021 (consulté le 24 février 2021).
(en) « Technical data for Lithium » [archive] (consulté le 23 avril 2016) : donne en sous-pages les données connues pour chaque isotope.

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Voir aussi	Électrochimie Gas cracker (en) Liste de potentiels standard Électrologie (en) Électrosynthèse Électroanalyse

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