Lithium

Le lithium est l'élément chimique de numéro atomique 3, de symbole Li. C'est un métal alcalin, situé dans le premier groupe du tableau périodique des éléments.

Pour les articles homonymes, voir Lithium (homonymie).

Lithium

Lithium flottant dans de la paraffine.
Hélium ← Lithium → Béryllium
H
 
 
3		 Li
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
↑
Li
↓
Na
Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Li
Nom Lithium
Numéro atomique 3
Groupe 1
Période 2e période
Bloc Bloc s
Famille d'éléments Métal alcalin
Configuration électronique [He] 2s1
Électrons par niveau d’énergie 2, 1
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 6,941 ± 0,002 u[alpha 1]
Rayon atomique (calc) 145 pm (167 pm)
Rayon de covalence 128 ± 7 pm[3]
Rayon de van der Waals 182 pm
État d’oxydation +1
Électronégativité (Pauling) 0,98
Oxyde base forte
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,391719 eV 2e : 75,6400 eV
3e : 122,45429 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
6Li7,5 %stable avec 3 neutrons
7Li92,5 %stable avec 4 neutrons
8Li{syn.}0,838 sβ–168Be
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire Solide diamagnétique
Masse volumique 0,534 g·cm-3 (20 °C)[2]
Système cristallin Cubique centré
Dureté 0,6
Couleur Blanc argenté / gris
Point de fusion 180,5 °C[2]
Point d’ébullition 1 342 °C[2]
Énergie de fusion 3 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 145,92 kJ·mol-1
Température critique 3 223 °C[5]
Pression critique 68,9 MPa[5]
Volume critique 66 cm3·mol-1[5]
Volume molaire 13,02×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 1,63×10-8 Pa
à 180,54 °C
Vitesse du son 6 000 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique 3 582 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 10,8×106 S·m-1
Conductivité thermique 84,7 W·m-1·K-1
Divers
No CAS 7439-93-2
No ECHA 100.028.274
No CE 231-102-5
Précautions
SGH[6],[7]

Danger
H260, H314, EUH014, P223, P231, P232, P280, P305, P338, P351, P370, P378 et P422
SIMDUT[8]

B6, E,
NFPA 704[9]
Transport[10]
X423
   1415   
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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 légers[11]. 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 très 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 (65 %), par l'industrie du verre et des céramiques (18 %), 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 de lithium étaient estimées par l'USGS, à la fin de 2010, à 13 millions de tonnes, dont 58 % en Bolivie et 27 % en Chine. En , cette estimation de l'USGS est passée à 21 millions de tonnes, et l'ensemble des ressources identifiées à 86 millions de tonnes, dont 24 % en Bolivie, 22 % en Argentine, 11 % au Chili, 7 % en Australie et 6 % en Chine. La production mondiale, quant à elle, s'est élevée à 82 000 tonnes en 2020, assurée essentiellement par l'Australie (49 %), le Chili (22 %), la Chine (17 %) et l'Argentine (8 %).

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]) a été 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 pétalite[16]. 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 Utö[17]. 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 lithion[15],[18],[19].

En 1818, Christian Gmelin (1792 - 1860) fut le premier à observer que ces sels (de lithium) donnaient une flamme rouge et brillante[20].

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 fondu[21].

Les différentes nations impliquées dans le développement de la bombe thermonucléaire à la fin des années 1940 et au début des 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 u[1].

Isotopes

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 observés[24]. 12Li et 13Li sont ceux qui ont été découverts le plus récemment, en 2008[25]. 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 ms[26].

Abondance

Dans l'univers
Nova Centauri 2013 est la première nova dans laquelle la présence de lithium a été identifiée[27].

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 plus[29]. 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 prévoient[30]. 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 inexpliquée[31].

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 produire[32].

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 terrestre[34], cela fait du lithium le 33e élément le plus abondant sur Terre[35]. 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'air[35]. 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 commerciale[33]. La lépidolite contient elle aussi du lithium en quantité non négligeable[36]. Une autre source de lithium sont les argiles d'hectorite, exploitées notamment par la Western Lithium Corporation aux États-Unis[37].

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 ppm[38],[39] ou 25 micromole[40]. 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 ppb[41]. Les organismes marins accumulent davantage de lithium dans leurs tissus que leurs homologues terrestres[42].

Le rôle du lithium dans le vivant est encore assez obscur[41] 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 DJA de l'ordre de 1 mg/jour[43].

En 2011 une étude épidémiologique observationnelle semble indiquer un lien entre le taux de lithium dans l'eau de boisson et la longévité[43].

Réserves terrestres et production

Les réserves mondiales de lithium étaient estimées en par l'United States Geological Survey (USGS) à 21 Mt (millions de tonnes) et les ressources ultimes à 86 Mt (respectivement 21 Mt et 86 Mt en , dont 24 % en Bolivie, 22 % en Argentine, 11 % au Chili, 7 % en Australie et 6 % en Chine[44] :

Production minière et réserves de lithium en tonnes[44]
Pays Production 2018 Production 2019 Production 2020
estimée		 Réserves prouvées Ressources estimées
Argentine 6 400 6 300 6 200 1 900 000 19 300 000
Australie 58 800 45 000 40 000 4 700 000 6 400 000
Bolivie nd nd nd nd 21 000 000
Brésil 300 2 400 1 900 95 000 470 000
Canada 2 400 200 nd 530 000 2 900 000
Chili 17 000 19 300 18 000 9 200 000 9 600 000
Chine 7 100 10 800 14 000 1 500 000 5 100 000
République démocratique du Congo nd nd nd nd 3 000 000
États-Unis[alpha 2] nd nd 870 750 000 7 900 000
Allemagne nd nd nd nd 2 700 000
Mexique nd nd nd nd 1 700 000
République tchèque[45] nd nd nd nd 1 300 000
Espagne nd nd nd nd 300 000
Portugal 800 900 900 60 000 270 000
Mali nd nd nd nd 700 000
Russie nd nd nd nd 1 000 000
Serbie nd nd nd nd 1 200 000
Zimbabwe 1 600 1 200 1 200 220 000 500 000
Total mondial 95 000 86 000 82 000 21 000 000 86 000 000

Les ressources d'autres pays non mentionnés dans ce tableau sont : Pérou 880 000 tonnes, Ghana 90 000 tonnes, Autriche 50 000 tonnes, Finlande 50 000 tonnes, Kazakhstan 50 000 tonnes, Namibie 50 000 tonnes[44].

Les estimations de réserves de l'USGS étaient en de 14 Mt (millions de tonnes) et celles de ressources ultimes de 62 Mt, dont 24 % en Argentine, 15 % en Bolivie, 14 % au Chili, 12 % en Australie et 7 % en Chine[46].

En 2020, la production mondiale s'est élevée à 82 000 tonnes (2019 :86 000 tonnes ; 2018 : 95 000 tonnes), dont 49 % en Australie, 22 % au Chili, 17 % en Chine et 8 % en Argentine[44].

Elle se situait à 28 100 tonnes en 2010, hors États-Unis (dont les données ne sont pas rendues publiques par l'USGS), assurée essentiellement par le Chili (35 %), l'Australie (34 %), la Chine (18 %) et l'Argentine (11,5 %)[47]. Les principaux producteurs étaient en 2008 le Chili, avec le Salar d'Atacama (39,3 % de la production mondiale), la Chine (13,3 %) et l'Argentine (9,8 %), selon les statistiques du Meridian International Research[48].

BP donne des estimations de production nettement inférieures, avec un total de 61 800 tonnes en 2018, l'écart portant pour l'essentiel sur l'Australie, dont la production est de 27 200 tonnes selon l'entreprise. Pour les réserves, BP reprend les estimations de l'USGS. Les réserves assureraient ainsi 227 ans de production au rythme actuel[49].

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 spodumène, LiAl (Si2O6) ou 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 lithium[50]).

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[51]. En , la Bolivie a autorisé l'exploitation du lithium sur le désert de sel fossile d'Uyuni et la création d'une usine d'extraction[51].

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 principal[51].

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 1995[52].

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))[52]. 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 »[53]).

D'autres gisements sont exploités, notamment des lacs asséchés au Tibet[54], 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 envisagée[55], mais la société chargée du projet a fermé ses portes en 2015[56].

Au Canada, un gisement a été découvert en 2010 aux environs de la Baie James, exploité par plusieurs entreprises, jusqu'à sa fermeture en 2014[57]. Un projet de mine est à l'étude dans l'Abitibi[58].

En Afghanistan de très importantes réserves ont été mentionnées en juin 2010 dans la presse[59].

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. Des chercheurs du Bureau de recherches géologiques et minières français (BRGM) affirment, dans un article paru sur le site The Conversation[60], que grâce aux gisements de lithium dans le Massif central ou dans les saumures géothermales d'Alsace, la France pourrait être autonome pour le lithium avec un potentiel dépassant les 200 000 tonnes de lithium métal. Toutefois, le service géologique 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. En Espagne, l'Australien Infinity Lithium mène des recherches pour exploiter une mine à ciel ouvert près de San Jose. En Autriche, à proximité de Wolfsberg, European Lithium entend commencer à produire dès 2023. En Alsace, Eramet s'intéresse à la saumure des stations géothermales du fossé rhénan, tout comme Vulcan Energy Resources, côté allemand. 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 alentour[61].

France

En France, selon le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), un petit gisement (« gîte de gros tonnage à faible teneur en Sn, Ta-Nb, Li, Be », encore inexploité) est présent à Tréguennec (Tregeneg) dans le Finistère[62],[63] et 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, Montrebas, 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. Dans ce cas le gîte est lié à un apex leucogranitique différencié (albitite) 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 fluor[64].

Des indices ponctuels d'une faible présence de minéraux à lithium ont aussi été trouvés en Guyane par le BRGM[réf. nécessaire].

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) et 443 200 t de « ressources supposées »[65].

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 géothermiques[66],[67]. 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 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. 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 an[68] ; la France pourrait donc être autonome en approvisionnement.

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 km2 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 chaudes[69] contenant 80 mg/l ou plus de lithium[70].

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 USGS[71]).

L'USGS estime la production mondiale en 2020 à 82 000 tonnes (2019 : 86 000 tonnes), dont 40 000 tonnes en Australie, 18 000 tonnes au Chili, 14 000 tonnes en Chine et 6 200 tonnes en Argentine[44].

En 2017, 136 petites compagnies ont investi 157 millions de dollars dans la recherche du lithium, un doublement par rapport à 2016[72].

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 lithium[73], 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, au nord du Mexique et en Serbie. 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 (via ses filiales Rockwood Lithium, Talison Lithium, etc.) et FMC, le Chilien Sociedad Química y Minera de Chile (SQM) et le Chinois Tianqi[74].

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 Bolivie[75].

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’environnement[76].

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 transports[77],[78].

Propriétés
Raies spectrales du lithium en couleur.

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.

Raies spectrales.

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 2/3 celle de l'azote liquide (0,808 g/cm3)[79]. 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 2020[44].

  • 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 %)[44],[80].

Estimation de l'évolution des usages du lithium à l'échelle mondiale (2006-2020)[44].

Stockage de l'électricité

Le lithium est souvent utilisé dans les électrodes[81] 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 %[44].

Carburant pour fusées et missiles

Le lithium sous forme métallique ou d'aluminate est utilisé comme additif à haute énergie pour la propulsion des fusées[82]. Sous cette forme, il peut aussi être utilisé comme combustible solide[83].

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[84] ; 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 température[85],[86],[87].

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 fluidité[88], une utilisation qui représente 2 % de l'utilisation mondiale de lithium en 2020[44]. Les composés du lithium sont également utilisés comme additifs dans le sable de fonderie pour la fonte afin de réduire le veinage[89].

Lorsqu'il est utilisé comme flux de brasage pour le soudage ou le brasage, le lithium métallique favorise la fusion des métaux durant le processus[90] et élimine la formation d'oxydes en absorbant les impuretés[91]. 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 lithium-aluminium sont utilisés en France sur le Rafale)[92].

Traitement de l'air

Le chlorure de lithium et le bromure de lithium sont extrêmement hygroscopiques et sont utilisés comme dessiccants[85].

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'oxygène[93],[94]. 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 oxygène[95].

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[96],[97].

Médecine

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)[98],[99]. 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

Le lithium 6 est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du Code de la défense).

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 2008[51], et dépasse 9 000 $/t en 2017[100].

Un rapport de la Banque mondiale publié en [101] 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 [102] 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 par un média hongkongais, la Chine serait désormais capable de diviser par huit le coût d’extraction du lithium : de 17 000 $ la 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[103] plus grande réserve de lithium au monde dans ses sols, la Chine deviendrait un acteur incontournable dans la production de batteries[104].

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 important[105]. 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 compte[106].

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 . 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 venir[107].

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[réf. souhaitée] à la toxicité des sels de lithium[108].

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 CO2[109],[110].

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 intoxications[111].

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[112].

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 primaire[52].

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 recyclage[44].

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[113].

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[52]. La liquidation judiciaire de Récupyl est prononcée le [114].

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 renouvelables[115].

Des études portent sur de nouveaux moyens[Lesquels ?] de recycler le lithium des batteries[116]. 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 €[117].

Notes et références

Notes
  1. 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 commercial[1],[2]. Norman Holden suggère[1] que la masse atomique du lithium soit prise égale à 6,94 ± 0,06 u, soit avec une erreur de 0,9 %.
  2. Les statistiques de production de l'USGS excluent les États-Unis pour cause de secret commercial

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Voir aussi

Bibliographie

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