Le lithium, nouvel or blanc de la transition verte ?

Christel Laberty-Robert, directrice de l’équipe RMES¹ du laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris et spécialiste des batteries et de la chimie des matériaux, apporte son éclairage sur l’importance de ce métal omniprésent dans notre quotidien et dont la production suscite la controverse.

Quelles sont les caractéristiques du lithium qui le rendent si important dans les batteries ?

Christel Laberty-Robert : Le lithium est un métal solide et léger ayant un grand potentiel électrochimique. Grâce à ces propriétés, il permet de développer des batteries compactes avec des densités d'énergie importantes qui peuvent être utilisées dans les téléphones portables ou les véhicules électriques.

Élément incontournable des transitions numérique et énergétique, le lithium est également utilisé, dans une moindre mesure, dans d’autres applications : fusion thermonucléaire, médicaments régulateurs de l'humeur, fabrication de certains alliages, céramiques et verres.

Sous quelle forme existe-t-il à l’état naturel et comment l’extrayons-nous ?

C. L.-R. : Très peu concentré dans l'écorce terrestre, le lithium se trouve sous forme ionique dans des minerais comme les silicates (en particulier le spodumène), qu’il faut extraire en très grande quantité pour fabriquer des batteries. Les processus d’extraction sont longs, énergivores et demandent de grandes quantités d’eau et de produits chimiques.
Le lithium est également présent dans des saumures, notamment en Argentine et au Chili. Pour l’extraire, ces saumures sont pompées en surface, puis stockées pendant plusieurs mois en attendant l’évaporation de l’eau. Elles subissent ensuite des traitements chimiques et physiques pour produire du carbonate et de l’hydroxyde de lithium.

Quels sont les principaux gisements dans le monde, en Europe et en France ?

C. L.-R. : Ils existent principalement en Amérique du Sud et en Australie. Il y en a également aux États-Unis, au Brésil et au Portugal. Si elle ne possède pas de grande réserve, la Chine s’est, quant à elle, intéressée au processus d’extraction du lithium et à sa transformation en oxydes (hydroxyde et carbonate de lithium) qui sont utilisés pour fabriquer les batteries.

En Europe, des gisements ont été identifiés en Allemagne, en Autriche, au Portugal, en Finlande et en Serbie. En France, trois zones ont été repérées : dans le massif armoricain, dans la vallée du Rhin et dans le nord du massif central où le numéro un mondial des minéraux industriels, Imerys, projette d’ouvrir une mine d’ici 2027. Ce projet de mine, qui nécessiterait près d’un milliard d’euros d’investissement, permettrait de produire assez de lithium pour équiper, dès 2028, 700 000 véhicules électriques par an pour une durée d’au moins 25 ans.

Quels sont les besoins mondiaux futurs en lithium d’ici 20 ans ?

C. L.-R. : Selon l'Agence internationale de l'énergie, le volume annuel de lithium extrait dans le monde a été multiplié par trois depuis 2015 et la demande de lithium devrait augmenter de 40% d’ici 2040 en raison de l’enclenchement concomitant de la transition énergétique par de nombreux pays. D’après une étude publiée par l'Université de Louvain, les besoins en lithium en Europe en 2050 seront 35 fois plus importants qu'aujourd'hui.

En Europe, la construction des giga factories, ces usines géantes de batteries pour les véhicules électriques, va engendrer des demandes en métaux très importantes. Cela a eu pour conséquence l’inscription du lithium, en 2020, par la Commission européenne comme matière première critique.

Quel est l’impact environnemental de l’exploitation du lithium ?

C. L.-R. : L'extraction minière change la nature des paysages et produit des volumes considérables de déchets potentiellement polluants. Elle nécessite l’utilisation d'acide sulfurique et d’autres produits chimiques qui peuvent contaminer l’environnement. Les explosions dans les mines provoquent des nuages de fumée qui se diffusent dans l'atmosphère. Tous ces procédés sont également très énergivores. L’extraction du lithium dans les saumures implique, quant à elle, de très grandes quantités d’eau : environ 2 millions de litres d'eau pour produire une tonne de lithium.

Ces impacts sont connus, mais leur importance est sous-estimée en Europe car la majeure partie de la production est réalisée en dehors du continent. Il est important que les Européens, grands consommateurs de lithium, s’interrogent sur les effets secondaires de son extraction afin d’avoir une vision complète de l’impact sur l’environnement. L’ouverture des mines sur notre territoire devrait permettre une prise de conscience sociétale sur ce que nos modes de vie impliquent en termes environnementaux.

Les batteries au lithium sont-elles recyclables ?

C. L.-R. : Si le recyclage des batteries existe, il n’est pas encore automatisé en raison de l’absence de normes de standardisation des packs de batteries. Il est donc important que les industriels réfléchissent à une économie circulaire permettant de concevoir des batteries pouvant facilement être désassemblées et recyclées par des chaines de démontage automatisées.

Par ailleurs, un gros travail doit être fait pour optimiser les processus de recyclage qui sont aujourd’hui longs et énergivores. Il faut d'abord décharger le pack de batterie avant de démonter et de broyer ses différents modules pour récupérer, sous atmosphère inerte, la masse noire. Il faut ensuite extraire le lithium grâce à des procédés d'hydro-métallurgie ou de pyro-métallurgie.

Une fois que le processus de recyclage aura été optimisé, les batteries usagées pourraient constituer, en Europe, une mine urbaine de lithium et d'autres éléments critiques.

Quelles alternatives au lithium ?

C. L.-R. : Le réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E) travaille sur les batteries au sodium, deux à cinq fois plus puissantes que les batteries au lithium. Elles présentent plusieurs avantages, notamment celui de se charger beaucoup plus vite et de pouvoir être stockées sans charge. Contrairement aux batteries au lithium, leur fabrication est fondée sur un élément que l’on trouve en grande quantité dans la nature et dont l’extraction est beaucoup moins coûteuse. Des prototypes de ces batteries commencent à être développées par la startup Tiamat issue du RS2E dans la perspective d’ouvrir une usine de plus grande ampleur d’ici quelques années.

Par ailleurs, le développement de batteries aqueuses peu couteuses et plus vertes, à base de métaux non critiques, constitue un challenge pour les années à venir. C’est un enjeu majeur pour permettre une transition énergétique rapide sur l’ensemble des continents.

Participez-vous à des programmes stratégiques de recherche liés au lithium ?

C. L.-R. : Mon équipe participe à deux grands projets actuellement soutenus par le gouvernement. Le premier, porté par le RS2E, rassemble des acteurs publics et des industriels autour des questions de stockage de l'énergie. Il a donné naissance au second : un programme d’équipement prioritaire de recherche (PEPR) pour développer des nouvelles technologies de batteries, en particulier les batteries tout solide. D’autres laboratoires de Sorbonne Université, comme PHENIX², travaillent, au sein du RS2E, sur d’autres thématiques liées au lithium comme, entre autres, les procédés de recyclage des batteries.

^{1 Reactive Materials for Electrochemical deviceS}

^{2 PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (Sorbonne Université/CNRS)}