il y a de nombreuses années, j’ai lu un court article sur les nouvelles Hotness: batteries au lithium. L’auteur a ouvert avec ce pas la pensée de doute, il était une référence intelligente de la culture pop en disant que la simple mention de lithium serait « l’inquiétude de grève dans le cœur des Klingons. » Ce fut une référence faible aux fiction « cristaux de Dilithium » de renommée star trek, et même alors, je l’ai trouvé un peu ringard, mais je suppose qu’il a dû mener quelque chose.
Des décennies plus tard, une compréhension plus profonde de la tradition, il est clair qu’un seul souci de Klingon est mort avec le déshonneur, mais il y a une espèce sur la terre qui vit dans la crainte de lithium: PDG de voitures électriques préoccupations de fabrication. Pour eux, ce n’est pas la présence de lithium qui craignent les grèves, mais l’absence relative de celui-ci; alors qu’il est le 25 nombre élément abondant dans la croûte terrestre, et gigatonnes sont dissous dans les océans du monde, le lithium est très réactif et a donc tendance à être diffus, ce qui rend difficile à obtenir concentré dans les quantités de leurs entreprises dépendent.
Comme les voitures électriques et les marchés des énergies renouvelables continuent de croître, le besoin de lithium pour les batteries de fabrication grandira avec elle, potentiellement au point où la demande dépasse la capacité de production de l’industrie minière. Pour comprendre comment ce déséquilibre peut être possible, nous allons jeter un coup d’oeil sur la façon dont le lithium est actuellement exploitée, ainsi que d’analyser de nouvelles techniques d’extraction qui peuvent aider à combler le déficit de lithium à venir.
A Rocky Démarrer
Bien que le lithium a été connu et bien caractérisé par les chimistes parce que le début des années 1800, il était seulement au milieu du siècle précédent que les utilisations commerciales pour les composés de lithium ont été identifiés. La demande de l’industrie aéronautique pour les lubrifiants stables a permis le développement des graisses à base de savons de lithium, et le besoin de haute performance mais les métaux légers a conduit l’industrie de l’aluminium au lithium emploient pour améliorer le processus fusion Hall-Héroult. dans le même temps, les médecins ont découvert que les sels de lithium peuvent traiter les clients avec un trouble bipolaire.
Un gros cristal de spodumène (inosilicate lithium et d’aluminium, LiAl (SiO3) 2) trouvés dans le Massachusetts. Source: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0
Même avec la demande supplémentaire de l’industrie nucléaire naissante à partir des années 1940, à peu près tout le lithium nécessaire pourrait être fournie par les petites exploitations minières hard-rock qui exploitaient des dépôts de roches, y compris de grands cristaux de minéraux de lithium, comme spodumène, petalite et lépidolite . Ces trois minéraux demeurent en forte demande à ce jour pour la production d’hydroxyde de lithium, l’un des deux principaux composés de lithium utilisés par l’industrie.
La production de lithium de mines de roche dure a beaucoup en commun avec d’autres méthodes d’extraction et de raffinage dont nous avons parlé dans cette série. roches contenant du minerai sont soufflés hors de mines à ciel ouvert, ramassés par les chargeurs énormes et transportés par camion vers une usine de raffinage. Là, la roche est réduite en taille par une série de broyeurs et moulins jusqu’à ce qu’il devienne une poudre fine. De l’eau est ajoutée à la poudre pour créer une suspension épaisse connue sous le nom de pâte, qui comprend également des agents tensioactifs et des dispersants qui rendent les minéraux contenant du lithium hydrophobe. Dans une cuve peu profonde avec de l’air pompé à travers du fond, les formes légères de lithium d’une mousse qui flotte vers le haut tandis que les particules plus lourdes de roche coulent.
Après que la mousse de lithium est écumée la cuve de flottation, le liquide supplémentaire est filtré pour créer un concentré en poudre mais lithium impur qui doit être affiné. Le procédé d’affinage dépend beaucoup de minéraux de source et produit final désiré, mais pour le minerai de spodumène concentré, le lithium est généralement lessivé à l’aide d’une combinaison d’acide sulfurique et d’hydroxyde de sodium. Bien que ce soit une voie directe avec des rendements élevés, les acides et les bases impliquées peuvent rendre l’environnement problématique. d’autres procédés de lixiviation sans acide ont été développés à la suite, qui est dit être le type de processus Tesla utilise dans leur nouvelle usine d’hydroxyde de lithium étant construit à côté de leur Texas Gigafactory.
Dans la mine Saumure
Comme évoqué précédemment, l’eau de mer comprend quelque chose comme 230 milliards de tonnes de lithium, dissous principalement sous forme de sels de lithium. Bien que cela constitue la majeure partie du lithium sur la planète, il est beaucoup trop diffus – seulement 25 micromoles – pour servir de source commerciale viable sans grandes dépenses d’énergie pour extraire et concentrer. mais l’eau de mer n’est pas la seule saumure qui contient du lithium, et l’extraction du métal importante de saumures souterraines est devenue la principale méthode de production parce que les années 1990.
En sont de loin les saumures trouvent lithium-porteurs les plus importants dans le « Lithium Triangle » de l’Amérique du Sud. Bénéficiant d’parties du Chili, la Bolivie et l’Argentine, la région abrite de grands appartements de sel ou salars, les zones où les anciens lacs ou les étangs évaporés, laissant derrière eux des sels et d’autres minéraux précipités. Ces appartements de sel ont construit des millions d’années, laissant des couches riches en minéraux ci-dessous tsurfaces héritier. et comme nous le verrons, le terrain plat et conditions arides sévères à la surface jouent également un rôle dans le processus d’extraction.
étangs Saumure au Salar de Atacama au Chili, vue de l’espace. Pour l’échelle, chacun des longs, des étangs maigres dans le centre est près d’un kilomètre de long. Source: NASA Observatoire de la terre, par Lauren Dauphin
Exploitation minière de la saumure de lithium est tout à fait différent de tous les autres méthodes d’exploitation minière, nous avons couvert avant, et ne pouvait pas être plus simple. au lieu de creuser des roches et isoler soigneusement le matériau d’intérêt, l’extraction de la saumure consiste à injecter de l’eau en dépôts de sel par des forages profonds. L’eau dissout les dépôts de sel, ce qui crée une saumure riche qui peut être pompé à la surface. La saumure est pompée dans des bassins peu profonds et est laissé au soleil pour évaporer.
Quand beaucoup de l’eau dans un étang est évaporé – jusqu’à deux ans plus tard – la saumure maintenant concentrée est récolté. Le concentré comprend une variété d’éléments, en plus de lithium, y compris le sodium, le magnésium, les phosphates, et le bore. Le concentré peut être soit encore plus traitée sur place, ou de plus en plus courante, transite par pipelines vers les ports pour le transport vers les usines de transformation du lithium à l’étranger.
Sur la face de celui-ci, la méthode d’évaporation pour l’extraction de la saumure de lithium semble être un gagnant. Il est très simple, il est alimenté pratiquement exclusivement par le soleil, et il est dépourvu de quelques-uns des impacts qu’une grande exploitation minière à ciel ouvert peut avoir. mais il y a encore d’énormes problèmes avec la concentration d’évaporation. Tout d’abord, il faut de grandes quantités d’eau pour créer les saumures en premier lieu, et parce que l’évaporation des étangs ne sont utiles que dans des endroits où il ne, l’eau est pas beaucoup de pluie déjà en pénurie. L’eau utilisée pour l’extraction de la saumure est également perdue dans l’atmosphère, pour revenir à la surface quelque part loin des bassins d’évaporation. De plus, les étangs d’évaporation occupent des quantités extrêmement importantes de terres – certains complexes d’étangs couvrent une superficie de la taille de Manhattan – ce qui rend difficile à l’échelle des opérations. et la quantité de temps qu’il prend le soleil pour faire son travail est un problème en termes de flexibilité de production.
Une meilleure façon
Pour tirer le meilleur parti de l’exploitation minière de la saumure tout en atténuant ses défauts, les méthodes d’extraction de lithium directe sont de plus en plus populaires. Dans DLE, de la saumure est pompée à partir de sources souterraines, mais au lieu de la concentration de la saumure par évaporation ouverte, le lithium est éliminé de la saumure en utilisant un certain nombre de procédés chimiques et physiques. Une méthode est adsorption par échange d’ions, où la saumure est mélangée avec un matériau absorbant qui se lie de manière préférentielle les composés lithium par rapport aux autres composés de la saumure. Une classe de sorbants utilisés dans DLE est connu que des hydroxydes doubles lamellaires (LDH), des matériaux ayant une structure en couches qui permet le chlorure de lithium dans la saumure d’ajustement entre les couches tout en excluant le potassium, le magnésium et d’autres sels. La saumure est renvoyée à la terre, tandis que le chlorure de lithium de haute pureté est éliminé par lavage du sorbant.
D’autres procédés de DLE comprennent les technologies de séparation par membrane comme l’osmose inverse, où la saumure est pompé à haute pression à travers des membranes avec des pores qui maintiennent les sels de lithium, ou par extraction par solvant, où les solvants organiques sont utilisés pour extraire le lithium. Le thème commun avec les méthodes DLE, cependant, est le fait que ce sont des processus en boucle fermée – l’eau utilisée pour créer la saumure est retourné aux formations souterraines, y compris le lithium. plantes DLE prennent également une fraction de l’espace physique que même un seul bassin d’évaporation prendrait, et ils ne reposent pas sur des environnements extrêmes comme salars au travail.
Le meilleur des deux mondes
Aussi attrayante que la technologie DLE est, à l’échelle nécessaire pour être des plantes commercialement viables, DLE encore besoin d’une quantité d’énergie de juste à courir. mais dans certains endroits, une bizarrerie de la géologie a laissé des dépôts de lithium amples près d’une source d’énergie renouvelable abondante. Dans la vallée impériale de Californie se trouve la mer de Salton, un lac intérieur salin qui se situe au sommet d’une série de failles géologiques actives, y compris la célèbre faille de San Andreas. La région est idéale pour la production d’énergie électrique géothermique, avec onze usines qui produisent actuellement 2.250 MW. certaines de ces centrales géothermiques sont co-localisés avec des plantes DLE, qui pompent jusqu’à chaud, saumures riches en lithium qui sont purifiés en utilisant l’énergie géothermique produite sur place. Sur le plan environnemental, ces plantes sont à peu près aussi faible impact que la production de lithium peut être, avec l’usine de DLE géothermique construit par la société australienne contrôlée des ressources thermiques pour produire 68.000 prédit tonnes de lithium de qualité batterie en 2027.
Avec la demande de jeu de lithium à monter en flèche, la capacité d’extraire ce que nous pouvons à partir des sources limitées dont nous disposons en utilisant la plus petite quantité d’énergie possible devient un défi en effet. Géothermique DLE semble être un bon début, mais le nombre de places dans le monde à la fois la géochimie appropriée et pour soutenir les Tectonique de telles opérations est limitée. CeIl va prendre des ingénieurs intelligents pour obtenir au reste du lithium disponible, du moins avec la technologie et les ressources énergétiques que nous avons actuellement.
[Bannière Photo de Pablo Cozzaglio / AFP à travers Getty Images]