Des chercheurs du MIT mettent au point une technique peu coûteuse pour extraire le lithium des roches

Aujourd'hui, l'extraction du lithium des roches dures est un processus gourmand en énergie et en déchets qui est souvent beaucoup plus coûteux que l'extraction du lithium de l'eau salée, qui présente également des inconvénients majeurs pour l'environnement. Actuellement, l'extraction du lithium des roches dures consiste à cuire la roche à plus de 1 000 degrés Celsius et à la lixivier chimiquement pour en extraire le lithium. Le reste de la roche est jeté.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du MIT et d'ailleurs a mis au point un procédé à basse température permettant d'extraire du lithium de qualité batterie à partir du type le plus courant de minéral contenant du lithium. Le procédé utilise un réactif liquide pour dissoudre la roche dans les formes utiles de ses éléments constitutifs : non seulement des sels de lithium prêts pour les piles, mais aussi de l'alumine de qualité métallurgique et de la silice prête à être cimentée. Une fois les minéraux extraits, le solvant et le réactif peuvent être récupérés et réutilisés, de sorte que les niveaux de déchets approchent zéro.

Les chercheurs estiment que le processus en boucle fermée est deux fois moins coûteux que l'extraction traditionnelle du lithium en roche dure et qu'il pourrait être compétitif par rapport à l'extraction du lithium à partir de l'eau salée.

Un article décrivant le processus a été publié dans Science. Les chercheurs ont déjà commencé à commercialiser la technologie par l'intermédiaire d'une entreprise dérivée du MIT, Rock Zero.

"D'ici 2040, nous devons quadrupler la production de lithium dans le monde, ce qui implique des centaines de nouveaux actifs de production de lithium", explique l'auteur Camden Hunt, ancien chef de projet au Centre pour l'électrification et la décarbonisation de l'industrie du MIT. "Les roches dures sont abondantes ; on en trouve partout. Mais la plupart des raffineries de roches dures sont situées en Chine. Notre thèse centrale est que si l'on trouve un moyen plus facile de fissurer la roche, d'en extraire le lithium et de fabriquer des sels de lithium de qualité batterie, on peut changer le marché du lithium. Cette thèse s'aligne sur la tendance récente à la production à terre de minerais essentiels aux États-Unis.

Benjamin Mowbray, ancien postdoc du MIT, Kalyn Fuelling, candidate au doctorat, Jacqueline Prawira, étudiante au MIT, Khashayar Jafari, ancien chercheur principal à Sublime Systems, spin-out du MIT spécialisée dans le ciment vert, et Yet-Ming Chiang, professeur Kyocera de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, se sont joints à Hunt pour la rédaction de l'article.

Des salles de bains aux batteries

La recherche trouve son origine dans la rénovation d'une salle de bains. Il y a environ 25 ans, alors que Chiang se rendait dans une quincaillerie à la recherche d'un produit capable de rendre translucides des blocs de verre clair, il est tombé sur une crème de gravure pour verre qui agit en "rongeant" la surface du verre. L'ingrédient actif s'est avéré être le fluorure d'ammonium.

Plus récemment, alors qu'il réfléchissait à des moyens de décomposer chimiquement le spodumène, le minéral le plus abondant contenant du lithium, M. Chiang a repensé à cette crème de gravure. Le spodumène, comme le verre, est principalement constitué de silice. Les méthodes chimiques classiques d'extraction des métaux des minerais dissolvent de préférence les éléments les plus réactifs et laissent un résidu enrichi en silice en raison de la force des liaisons entre le silicium et l'oxygène. En concevant leur procédé de manière à utiliser un mélange d'eau et de fluorure d'ammonium, les chercheurs sont en mesure de dissoudre la silice en premier, inversant ainsi le processus.

Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient dissoudre la roche de spodumène à température ambiante, ce qui représente une avancée par rapport aux procédés traditionnels nécessitant une chaleur extrême. Mais il ne s'agit encore que de la première étape d'un système en boucle fermée produisant des matériaux utiles.

"La dissolution de la silice est la partie la plus difficile de l'exploitation minière", explique Mowbray. "La question suivante était de savoir comment l'appliquer à des problèmes de traitement des minerais ayant un impact sur l'environnement.

Le spodumène est principalement composé de trois éléments : le lithium, l'aluminium et la silice. Mowbray et Hunt, tous deux titulaires d'un doctorat en chimie, ont commencé à explorer les moyens de raffiner ces composants séparément après qu'ils aient été séparés dans la solution de fluorure d'ammonium.

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

"Notre objectif était d'abord de fabriquer ces produits, puis de caractériser leur pureté et leurs propriétés et de nous assurer que nos produits répondaient aux spécifications des marchés visés", explique M. Mowbray. "Pour les sels de lithium, nous avons identifié les spécifications de pureté pour le carbonate de lithium de qualité batterie, le sel de lithium le plus utilisé. Pour la silice, nous voulions qu'elle soit utilisée comme additif au ciment, nous avons donc effectué des tests de réactivité du ciment et avons finalement créé des cubes de ciment à partir de cette silice pour tester la résistance à l'aide de méthodes industrielles. Pour l'aluminium, nous avons ciblé l'aluminium de qualité fonderie. Si un produit ne répondait pas aux spécifications visées, nous nous retrouvions avec un flux de déchets".

Les chercheurs ont ensuite mis au point un procédé permettant de réutiliser le fluorure d'ammonium et l'eau qui déclenchent la réaction.

"Nous sommes en mesure de dissoudre la roche contenant le spodumène, ce qui libère tous les éléments, y compris l'aluminium et le lithium", explique Chiang. "La silice se trouve dans la solution, mais lors de la fabrication du fluorure d'ammonium, du gaz ammoniac se dégage également. Si l'on réintroduit ce gaz ammoniacal, il précipite à nouveau la silice. Cette séquence nous permet de retrouver le fluorure d'ammonium de départ. C'est pourquoi il s'agit d'un processus circulaire".

Les chercheurs ont réussi à traiter 17 sources de spodumène différentes, ce qui montre que ce procédé est largement applicable aux roches du monde entier.

"Vous avez entendu parler de l'alimentation par le nez et la queue ? explique Chiang. "Nous parlons ici d'exploitation minière nez-à-queue. Nos chercheurs sont venus au MIT à la recherche de problèmes ayant un impact sur le développement durable. Compte tenu de leurs compétences, il suffisait de les mettre au travail sur ce problème. Nous avons franchi toutes ces étapes, et pour chacune d'entre elles, je leur disais simplement : "Pouvez-vous faire cette prochaine étape ? Une semaine ou deux plus tard, ils me disaient : "D'accord, nous avons montré que nous pouvions le faire". C'est ainsi que l'ensemble du processus a été mis en place".

Développer le processus

M. Chiang a ensuite demandé à son équipe de recherche d'évaluer la faisabilité commerciale de leur nouveau système.

"Une fois que nous avons mis au point ces opérations de base, il nous a encouragés à faire des calculs", explique Mowbray. "Y a-t-il assez de spodumène dans le monde pour produire 100 terrawattheures de batteries ? La question suivante s'est posée : Si vous fournissez toutes les batteries du monde avec ce procédé, quels sont les volumes des coproduits ? Correspondent-ils aux marchés mondiaux des matières premières ? Nous avons ensuite commencé à examiner le coût des réactifs, le coût de l'énergie et de l'équipement. Nous avons commencé à être convaincus que ce procédé pouvait avoir un impact important".

Ces travaux revêtent une importance particulière pour M. Mowbray, qui a grandi dans une ville minière historique de la Colombie-Britannique rurale.

Les chercheurs ont travaillé avec le Technology Licensing Office du MIT pour créer leur entreprise, Rock Zero, qui est maintenant installée à The Engine et qui développe le système.

"Nous pensons que cette approche est le moyen le moins énergivore et le moins coûteux d'extraire le lithium non seulement des roches dures, mais aussi des périodes de l'année", explique M. Chiang. "C'est ce qui nous motive à développer ce système. Il permettra la transition énergétique grâce à des batteries utilisant le lithium. C'était l'un des objectifs du projet climatique du MIT : travailler sur des projets qui, en peu d'années, pourraient passer du laboratoire à la commercialisation et à l'impact.