À mesure que le marché des véhicules électriques est en plein essor, la demande de lithium, le minéral nécessaire aux batteries lithium-ion, a également grimpé en flèche. La production mondiale de lithium a plus que triplé au cours de la dernière décennie. Mais les méthodes actuelles d’extraction du lithium à partir de minerais ou de saumures sont lentes et entraînent des demandes énergétiques et des coûts environnementaux élevés. Ils nécessitent également des sources de lithium incroyablement concentrées au départ et que l’on ne trouve que dans quelques pays.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont optimisé une nouvelle méthode pour extraire le lithium de sources plus diluées et plus répandues de ce minéral, notamment l’eau de mer, les eaux souterraines et les « eaux de reflux » laissées par la fracturation hydraulique. et le forage pétrolier offshore.
« À l’heure actuelle, il existe un écart entre la demande de lithium et la production », a déclaré Chong Liu, professeur adjoint de génie moléculaire de la famille Neubauer et auteur principal du nouveau travail. Publié dans Communications naturelles. « Notre méthode permet l’extraction efficace du minéral à partir de liquides très dilués, ce qui peut considérablement élargir les sources potentielles de lithium. »
Dans la nouvelle recherche, Liu et ses collègues ont montré comment certaines particules de phosphate de fer peuvent extraire le plus efficacement possible le lithium des liquides dilués. Leurs nouvelles découvertes pourraient accélérer une ère d’extraction du lithium plus rapide et plus verte.
Le lithium à un prix
Aujourd’hui, la majeure partie du lithium utilisé dans les batteries au lithium provient de deux processus d’extraction de base. Les minerais de lithium peuvent être extraits, broyés avec de la machinerie lourde, puis traités avec de l’acide pour isoler le lithium. Les piscines de saumure au lithium, quant à elles, utilisent d’énormes quantités d’eau pompées à la surface de la Terre, puis évaporées (sur une période de plus d’un an) pour produire du lithium séché.
« Ces méthodes ne sont pas particulièrement respectueuses de l’environnement au départ, et si vous commencez à essayer de travailler avec des sources de lithium moins concentrées, elles deviendront encore moins efficaces », a déclaré Liu. « Si vous avez une saumure 10 fois plus diluée, vous avez besoin de 10 fois plus d’eau saumâtre pour obtenir la même quantité de lithium. »
Ces dernières années, l’équipe de Liu a mis au point une méthode complètement différente pour extraire le lithium des liquides dilués. Leur approche isole le lithium en fonction de ses propriétés électrochimiques, en utilisant des réseaux cristallins de phosphate de fer olivine. En raison de sa taille, de sa charge et de sa réactivité, le lithium est aspiré dans les espaces des colonnes de phosphate de fer olivine, comme l’eau trempée dans les trous d’une éponge. Mais si la colonne est parfaitement conçue, les ions sodium, également présents dans les liquides saumâtres, sont laissés de côté ou pénètrent dans le phosphate de fer à un niveau bien inférieur.
Dans le nouveau travail, Liu et ses collègues, dont le premier auteur du nouvel article Gangbin Yan, étudiant diplômé en PME, ont testé l’impact de la variation des particules de phosphate de fer d’olivine sur leur capacité à isoler sélectivement le lithium par rapport au sodium.
« Lorsque vous produisez du phosphate de fer, vous pouvez obtenir des particules de tailles et de formes radicalement différentes », explique Yan. « Afin de trouver la meilleure méthode de synthèse, nous devons savoir lesquelles de ces particules sont les plus efficaces pour sélectionner le lithium plutôt que le sodium. »
Ni trop grand, ni trop petit
L’équipe de recherche a synthétisé des particules de phosphate de fer olivine en utilisant différentes méthodes, ce qui a donné lieu à une gamme de tailles de particules allant de 20 à 6 000 nanomètres. Ensuite, ils ont divisé ces particules en groupes en fonction de leur taille et les ont utilisées pour construire des électrodes capables d’extraire le lithium d’une solution faible.
Lorsque les particules de phosphate de fer étaient trop grosses ou trop petites, ont-ils découvert, elles avaient tendance à laisser plus de sodium pénétrer dans leurs structures. Cela a conduit à des extractions de lithium moins pures.
« Il s’est avéré qu’il y avait ce point idéal au milieu où la cinétique et la thermodynamique favorisent le lithium par rapport au sodium », a déclaré Liu.
Les résultats sont essentiels pour faire évoluer l’extraction électrochimique du lithium vers une utilisation commerciale. Ils suggèrent que les chercheurs devraient se concentrer non seulement sur la production de phosphate de fer olivine, mais également sur la production de phosphate de fer olivine à la taille de particule idéale.
« Nous devons garder à l’esprit cette taille de particule souhaitée lorsque nous choisissons des méthodes de synthèse à mettre à l’échelle », a déclaré Liu. « Mais si nous y parvenons, nous pensons pouvoir développer une méthode qui réduira l’impact environnemental de la production de lithium et sécurisera l’approvisionnement en lithium dans ce pays. »
Les autres auteurs de l’article sont Emory Apodaca, Suin Choi, Peter J. Eng, Joanne E. Stubbs, Yu Han, Siqi Zou, Mrinal K. Bera et Ronghui Wu de l’Université de Chicago ; Jialiang Wei et Wei Chen de l’Institut de technologie de l’Illinois ; et Evguenia Karapetrova et Hua Zhou du Laboratoire national d’Argonne.
Plus d’information:
Gangbin Yan et al, Identification des caractéristiques critiques des particules de phosphate de fer pour la préférence du lithium, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-49191-3