Lithium

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 que dans les étoiles anciennes, le lithium est mélangé et détruit, alors que les étoiles jeunes en génèrent. 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].

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 33^e 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].

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 en bioaccumulent plus que leurs homologues terrestres[42].

Un rôle éventuel d'oligoélément dans tout ou partie du Vivant est soupçonné, notamment depuis les années 1990[43] - [44], mais encore obscur[41].

En 2001, au Japon, une étude nutritionnelles chez les mammifères suggère qu'il serait un oligoélément chez l'humain et les métazoaires. Les auteurs, qui ont utilisé le vers Caenorhabditis elegans comme modèle animal (déjà utilisé pour des études sur les facteurs de longévité)[45], suggèrent une dose journalière admissible d'environ 1 mg/jour[46].

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 le spodumène, LiAl (Si₂O₆) ou la 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 mars 2008, 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 salars 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].

Le gouvernement indien annonce en février 2023 la découverte d'un gisement majeur de lithium dans la région du Jammu-et-Cachemire, dans le nord-ouest du pays. Ce gisement est évalué à 5,9 Mt, soit 5,7 % des réserves mondiales. La découverte est alors au stade « préliminaire » et de nombreuses autres analyses doivent être conduites pour confirmer la taille du gisement[60].

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.

Toutefois, l'Institut d'études géologiques 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 France, des chercheurs du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) affirment, dans un article paru sur le site The Conversation, que, grâce aux gisements de lithium dans le Massif central ou dans les saumures géothermales d'Alsace, le pays pourrait être autonome pour le lithium, le potentiel minier dépassant les 200 000 tonnes de lithium métal[61].

En Autriche, à proximité de Wolfsberg, European Lithium entend commencer à produire dès 2023. 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[62].

Rio Tinto annonce fin décembre 2021 la suspension de son projet de mine de lithium de la région de Jadar, au sud-ouest de la Serbie, après quatre semaines de manifestations monstres de la part de militants écologistes, qui craignent une pollution des champs de maïs. Le projet prévoyait le début de la commercialisation en 2026 et une production de 58 000 tonnes par an à partir de 2029, soit assez pour équiper un million de voitures électriques[63]. Le 20 janvier 2022, le gouvernement serbe annonce avoir retiré les permis d'exploitation, mettant un point final au projet[64].

En Espagne, l'Estrémadure, région proche du Portugal, recèle d'importants gisements de lithium. La compagnie Lithium Iberia, constituée par un groupe d'entrepreneurs et d'ingénieurs espagnols, développe un projet de mine à Las Navas, dans la commune de Cañaveral, qui devrait produire à partir de 2024 pendant 20 ans 30 000 à 35 000 tonnes par an d'hydroxyde de lithium, durée qui pourrait être prolongée de dix ans. La compagnie australienne Infinity Lithium menait des recherches pour exploiter une mine à ciel ouvert près de San José, à Cáceres, mais ce projet se heurte à une opposition farouche de la population et des élus municipaux, malgré la présentation en octobre 2021 d'une nouvelle version, qui passerait de l'exploitation à ciel ouvert à une exploitation en galeries et offrirait de nouvelles garanties pour la restauration des lieux[65].

Le producteur de lithium germano-australien Vulcan Energy Resources envisage une exploitation raisonnée de lithium en Allemagne par extraction de saumure avec réinjection de cette saumure une fois traitée, réduisant drastiquement son empreinte carbone. Vulcan Energy s'engage en 2021 à fournir à Stellantis entre 81 000 et 99 000 tonnes d'hydroxyde de lithium sur cinq ans à partir de 2026[66]. Vulcan Energy Resources, créée en 2018 en Australie, développe un projet d'extraction de lithium de quatre sites géothermiques de la vallée du Rhin. L'eau chaude et salée sera extraite à plus de trois kilomètres de profondeur, puis filtrée pour récupérer le lithium, lequel sera ensuite concentré sur place puis raffiné à Francfort. La chaleur de cette eau à 165 °C sera utilisée pour produire de l'énergie verte, dont une moitié sera utilisée pour le procédé et l'autre revendue aux collectivités locales. Vulcan dispose d'une dizaine de licences en Allemagne et d'une autre en Italie et espère, avec le soutien de Renault et Stellantis, en acquérir en France, en Alsace, où le potentiel est important. Stellantis annonce le 24 juin 2022 avoir investi 50 millions d'euros pour prendre 8 % de Vulcan Energy Resources, qui a signé des contrats avec Renault, Volkswagen, Umicore et LG[67]. En septembre 2022, le premier pilote de son procédé fonctionne à la centrale géothermique d'Insheim, près de Karlsruhe, opérationnelle depuis 2012. Une deuxième installation pilote du procédé doit multiplier les volumes par 200 d'ici à la fin de 2022. La production doit démarrer fin 2024 ; elle est censée atteindre un volume de plus de 50 000 tonnes d'hydroxyde de lithium par an en 2027, à l'issue de plus de deux milliards d'euros d'investissements[68].

Les projets de mines de lithium en Europe se multiplient donc : Syväjärvi en Finlande, Cinovec en Tchéquie, Zinnwald, Brichsal et Karlsruhe en Allemagne, Wolfsberg en Autriche, Soultz-sous-Forêts en Alsace, Échassières dans l'Allier, ou Barroso au Portugal. Mais la plupart de ces gisements sont de petite taille. Selon un rapport de l'université de Louvain, ils pourraient représenter une production de l'ordre de 130 000 tonnes annuelles en 2030, et les projets de raffineries atteindraient 155 000 tonnes, mais ces estimations étaient optimistes car elles prenaient en compte le projet minier de Rio Tinto dans la vallée de Jadar qui a été stoppé par Belgrade.

D'après Eramet, les projets en cours permettraient de répondre au mieux à 15 à 20 % des besoins européens en 2030. Le potentiel du recyclage pourrait être plus important : l'université de Louvain l'estime à 150 000 tonnes en 2030 et 600 000 tonnes en 2050 pour une demande de 700 000 à 860 000 tonnes[69].

Le 29 juin 2023, le groupe minier français Imerys, qui a déjà lancé le projet d'exploitation de lithium de Beauvoir dans l'Allier, annonce un partenariat avec British Lithium en vue d'exploiter les ressources en lithium de la carrière de kaolin d'Imerys à St Austell, dans les Cornouailles, au sud-ouest de l'Angleterre. Une coentreprise entre Imerys (80 %) et British Lithium (20 %) doit être créée pour produire 20 000 tonnes de carbonate de lithium par an, permettant de fabriquer 500 000 véhicules électriques, soit près d'un tiers de la demande annuelle estimée au Royaume-Uni en 2030[70].

En France métropolitaine, un gisement (« gîte de gros tonnage à faible teneur en Sn, Ta-Nb, Li, Be », encore inexploité) a été identifié en 1986 par le Bureau de recherches géologiques et minières à Tréguennec (Finistère) sur le site de l'ancienne carrière de Prat-ar-Hastel[71] - [72]. 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, à Montrebas ou dans les 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 ; le gîte est lié à un apex leucogranitique différencié (à albite). 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[73].

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[alpha 3]) et 443 200 t de « ressources supposées »[77].

Dans son rapport, le BRGM ajoute que 41 sites potentiels sont recensés en France, essentiellement en Alsace et dans une diagonale allant du Massif armoricain au Massif central[78].

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[79] - [80]. 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 novembre 2019 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.

Globalement, 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[81]. Ainsi, en Alsace, Eramet s'intéresse à la saumure des stations géothermales du fossé rhénan, tout comme Vulcan Energy Resources, côté allemand. Un projet pilote mené par Eramet a déjà permis de raffiner du carbonate de lithium de qualité batterie à partir d'un des sites géothermiques d'ES Géothermie ; la start-up Geolith a aussi des projets à Haguenau ; Lithium de France, filiale du groupe Arverne, s'est implantée à Bischwiller dans l'objectif de produire en même temps de la chaleur et du lithium et vient d'obtenir un permis exclusif de recherche de sites géothermiques dans le Nord Alsace. La start-up strasbourgeoise Viridian annonce la construction, à Lauterbourg (Bas-Rhin), de la première raffinerie de lithium en France, d'une capacité de 25 000 t d'hydroxyde de lithium en 2025, avec une capacité d'expansion jusqu'à 100 000 t/an d'ici à 2030, en exploitant un procédé qui réduirait fortement les émissions de CO₂[82].

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 km 2 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[83] contenant 80 mg/l ou plus de lithium[84].

À Beauvoir dans l'Allier, le projet Emili, « l'un des plus grands projets d'extraction de lithium » européens, annoncé le 24 octobre 2022 par le groupe français de minéraux industriels Imerys, prévoit l'ouverture, d'ici 2027, d'une mine de lithium dont Imerys estime les réserves à 1 million de tonnes. La mine produirait 34 000 tonnes d'hydroxyde de lithium par an à partir de 2028 pendant au moins 25 ans[85]. Dans cette carrière, ouverte depuis 1850, sont déjà extraites chaque année quelque 30 000 tonnes de kaolin. Le site a été racheté en 2005 par Imerys[86]. La production de lithium permettrait d'équiper 700 000 voitures électriques — et de limiter au maximum l'empreinte carbone de l'extraction : huit tonnes de CO₂ par tonne d'hydroxyde de lithium, contre 15 à 20 t pour des projets similaires en Asie et en Australie[87].

En novembre 2022, la société minière australienne Vulcan Energy crée une entité française et dépose une première demande de permis de recherche dans le nord de l'Alsace, près de Haguenau, pour extraire du lithium des eaux géothermales. Elle a demandé un permis similaire en Allemagne, où la production commerciale devrait débuter autour de 2025 et atteindre une capacité de 8 000 tonnes d'hydroxyde de lithium par an et par module, c'est-à-dire par station de géothermie ; elle table sur trois modules dans un premier temps[88].

Dans les territoires d'outre-mer, des indices ponctuels d'une faible présence de minéraux à lithium ont été trouvés en Guyane par le BRGM[89].

En janvier 2023, Eramet et Électricité de Strasbourg signent un protocole d'accord pour développer la production de lithium à partir des saumures géothermales du bassin rhénan. La production envisagée pour la fin des années 2020 est d'environ 10 000 tonnes de carbonate de lithium par an, de quoi fabriquer quelque 250000 batteries de voitures électriques. Elle compte utiliser le procédé d'extraction directe du lithium mis au point par Eramet, qui consiste à capter le lithium à l'aide d'un matériau « éponge » et à réinjecter l'eau dans la nappe où elle a été pompée, procédé économe en eau et en énergie[90].

Le 31 mai 2023, Stellantis et Vulcan Energy signent un accord pour une étude de faisabilité destinée à préciser les potentiels en chaleur et en lithium du réservoir géothermal sous-jacent au site d'assemblage alsacien de Stellantis à Mulhouse. La chaleur extraite pourrait couvrir une partie des besoins de l'usine et le lithium serait raffiné par Vulcan Energy, probablement à Francfort, pour alimenter la fabrication de batteries. Un premier partenariat entre les deux sociétés a été conclu pour le site de Rüsselsheim, en Allemagne[91].

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[92]).

L'USGS estime la production mondiale en 2022 à 130 000 tonnes (2021 : 107 000 tonnes ; 2020 : 82 500 tonnes), dont 61 000 tonnes en Australie, 39 000 tonnes au Chili, 19 000 tonnes en Chine et 6 200 tonnes en Argentine[47].

En 2022, un tiers de la production mondiale de lithium (soit la moitié de la production des grandes entreprises) dépendrait de deux sociétés minières contrôlées par des investisseurs chinois[93].

En 2017, 136 petites compagnies ont investi 157 millions de dollars dans la recherche du lithium, un doublement par rapport à 2016[94].

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[95], 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, en Serbie et au nord du Mexique. 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 (par l'intermédiaire de ses filiales Rockwood Lithium, Talison Lithium, etc.) et FMC, le Chilien Sociedad Química y Minera de Chile (SQM) et le Chinois Tianqi[96].

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[97].

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[98].

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[99] - [100].

En mai 2023, l'australien Allkem fusionne avec l'américain Livent, donnant naissance au troisième producteur mondial de lithium, derrière le chilien SQM et l'américain Albemarle. La production du nouveau groupe représentera environ 7 % de la production mondiale de lithium. Les capacités de production annuelles estimées pour 2027 sont de 343 kt pour Albemarle, 302 kt pour SQM, 248 kt pour Allkem+Livent et 229 kt pour le chinois Ganfeng[101].

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 deux tiers de celle de l'azote liquide (0,808 g/cm³)[102].

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.

Le lithium est souvent utilisé dans les électrodes[105] 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 %[103].

Le lithium sous forme métallique ou d'aluminate est utilisé comme additif à haute énergie pour la propulsion des fusées[106]. Sous cette forme, il peut aussi être utilisé comme combustible solide[107].

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[108] ; 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.

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[109] - [110] - [111].

Les organolithiens sont utilisés dans la synthèse et la polymérisation des élastomères.

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[112], une utilisation qui représente 2 % de l'utilisation mondiale de lithium en 2020[103]. Les composés du lithium sont également utilisés comme additifs dans le sable de fonderie pour la fonte afin de réduire le veinage[113].

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[114] et élimine la formation d'oxydes en absorbant les impuretés[115]. 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 aluminium-lithium (en) sont utilisés en France sur le Rafale)[116].

Le chlorure de lithium et le bromure de lithium sont extrêmement hygroscopiques et sont utilisés comme dessiccants[109].

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[117] - [118]. 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[119].

Dans les années 1940, on découvre que le lithium peut calmer certains patients psychotiques[120]. Les sels de lithium (ex. : carbonate de lithium, le citrate de lithium ou l'orotate de lithium) sont depuis les années 1970 le traitement de référence des troubles bipolaires (anciennement psychose maniaco-dépressive)[121] - [122] - [123], seuls ou avec d'autres thymorégulateurs à une concentration thérapeutique de 0,8 à 1,2 mEq/L (0,8 à 1,2 mmol/L)[124].

Le lithium est aussi utilisé comme antidépresseur ou avec certains antidépresseurs, tels la fluoxétine, pour traiter les troubles obsessionnels compulsifs, certains autres troubles de l'humeur[125], dont certaines tendances suicidaires[126]. On suppose que le principe actif en est l'ion Li+, mais ses mécanismes d'actions précis sont encore débattus.

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 aussi utilisé dans les troubles du sommeil et l'irritabilité en oligothérapie (malgré l'absence d'activité spécifiquement démontrée).

Il 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).

Une étude de 1990 laisse penser que les populations exposées à une eau de boisson contenant un peu plus de lithium que la moyenne connaitrait moins de crimes, suicides, arrestations et de risque d'addiction, comparativement à la population générale[127]. Près de 20 ans plus tard, une autre étude conforte en 2009 l'hypothèse d'un moindre risque de suicide chez les personnes buvant une eau plus riche en lithium[128].

Le mécanisme d'action est encore mal compris, mais on sait au moins que le lithium affecte deux voies de signalisation intracellulaires[124] : l'inositol monophosphate (inhibition de l'inositol intracellulaire, ce qui est peut-être le mécanisme de stabilisation de l'humeur) et la glycogène synthase kinase-3 (inhibition de cette enzyme impliquée dans diverses voies de signalisation du métabolisme énergétique, de la neuroprotection et de la neuroplasticité cérébrale).

Le lithium n'est thérapeutiquement efficace que dans une étroite fourchette de doses, « de sorte qu'une grande partie des patients sous thérapie chronique au lithium connaissent au moins un épisode de toxicité pendant le traitement ». Le lithium intracellulaire est alors le plus élevés dans les cellules du cerveau et des reins ; dans les cellules tubulaires distales des reins, il est 10 à 20 fois plus concentré que dans le sérum sanguin, alors rapidement source de toxicité aigue pour ces cellules, ce qui se traduit par leur nécrose et le dysfonctionnement du rein[124].

L'intoxication aigue sévère semble rare et souvent associée à des erreurs de posologie ou de prise de médicament. Se forment alors des lésions cérébelleuses persistantes accompagnées, notamment, de tremblements, d'ataxie et de dysarthrie, et parfois de problèmes persistants de ganglions de la base[124]. À partir de 1,5 mmol/L environ, le patient devient ataxique, hypertonique, hyperréflexe, dysarthrique et confus, présentant souvent un tremblement grossier et une fasciculation musculaire. À partir de 3 mmol/L, des convulsions, puis un coma et des lésions cérébrales irréversibles peuvent entrainer la mort[124].

L'intoxication chronique est bien plus fréquente, qui a comme « complications biologiques classiques » une hypercalcémie, un diabète insipide[129] (diabète « néphrogénique » qui est l'effet secondaire le plus courant des traitements longs selon une méta-analyse publiée en 2012[130]), un dysfonctionnement thyroidien[124] et d'éventuels troubles cardiovasculaires, allant de changements de repolarisation bénins à (rarement) des tachyarythmies potentiellement mortelles, ou à des anomalies du temps de conduction, et (très rarement) à un bloc auriculo-ventriculaire complet avec choc cardiogénique[12]. En cas de « thérapie au lithium à long terme, les concentrations dans la plage thérapeutique sont associées à une mauvaise mémoire, à de la fatigue, à une perte de concentration et à un léger tremblement »[124].

Le lithium et ses sels ont une toxicité longtemps réputée réversible (symptômes disparaissant avec l'arrêt de la source), mais on sait maintenant que si la toxicité rénale aiguë est effectivement temporaire, le diabète insipide néphrogénique induit peut persister après l'arrêt d'un traitement long[124] - [131] ; la polyurie, la polydipsie sont souvent, associées au diabète insipide néphrogénique, des complications des traitements au lithium[124]. Ces effets surviennent parfois rapidement après le début du traitement[124].

Dans tous les cas, ce métal présente une néphrotoxicité non négligeable qui pour les faibles doses (intoxication généralement chronique) génère des anomalies tubulaires distales, et pour les fortes doses induit des lésions tubulaires proximales caractéristiques[124]. Pour ces raisons, le médecin prescrit normalement aux patients traités ou à traiter un bilan rénal (en début de traitement) puis un dosage mensuel du lithium sanguin. Le diagnostic d'une intoxication au lithium est rendu difficile par le fait que, quand les concentrations sériques de lithium sont élevées, les tissus cibles sont protégés dans une certaine mesure, mais « les taux de lithium dans le sérum ne reflètent pas les niveaux tissulaires et la corrélation entre les niveaux de lithium et sa toxicité est faible (...) Ce sont les symptômes qui sont à prendre en compte plutôt que les taux sériques de lithium »[124]. Dans le tube collecteur des reins, le lithium, par un mécanisme encore incompris, inhibe la fonction des aquaporines (aquaporine-2 surtout) ; une inhibition de l'activité de l'adénylate cyclase semble en cause[132].

En cas d'intoxication ou d'empoisonnement criminels, le bilan toxicologique d'urgence (screening immunologique sanguin et screening urinaire par CL-SM) peut ne rien révéler, car le taux sanguin ou urinaire de lithium retourne rapidement à la normale. Mais l'analyse du lithium dans le cheveux permet a posteriori de « documenter une exposition au lithium pendant la période supposée des faits »[133]. L'hémodialyse permet de protéger la fonction rénale et le cas échéant de traiter une « altération de l'état de conscience »[129].

En cas d'intoxication, « une étroite collaboration avec le service de neurologie, de néphrologie et de psychiatrie est fondamentale : l'intoxication au lithium doit être prise au sérieux, même en cas de lithémie normale, et surtout en présence de signes neurologiques. L'utilisation de l'EER doit être discutée assez tôt dans la prise en charge car le temps pris pour réduire la concentration en lithium est proportionnelle avec le risque de neurotoxicité chronique »[129].

Selon Bernard Bigot, physicien et directeur du projet ITER, si la fusion thermonucléaire est maitrisée, 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 qui produit relativement peu de déchets[134] - [135].

• Le lithium est un agent réducteur et/ou complexant utilisé pour la synthèse de composés organiques.
• Les sels de lithium sont utilisés pour le transfert de chaleur par convection.
• Pour la production de tritium par réaction nucléaire, qui est ensuite utilisé pour la fusion nucléaire (cf. section Énergie).
• Le lithium est, avec le potassium, un de deux alcalins possédant un isotope fermionique stable, d'où son intérêt pour l'étude des gaz ultrafroids fermioniques dégénérés.

Le lithium 6 est une matière nucléaire dont la détention est réglementée[136].

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[148]. 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[149].

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 octobre 2017. 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 un 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[150].

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.

Le lithium métallique réagit avec l'azote, l'oxygène et la vapeur d'eau de l'air. Sa surface devient alors 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 à la toxicité des sels de lithium[151] - [152].

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 salinité 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.

Pomper la saumure consomme du carburant, puis l'évaporation requiert de larges espaces de salins ; puis la calcination du carbonate de lithium consomme de l'énergie et libère en tant que processus physique du CO₂[153] - [154].

Les populations vivant près 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[155].

Une forte hausse 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[156].

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 (Canada). Une autre, aux États-Unis, recycle les batteries lithium-ion de véhicules électriques depuis 2015, à Lancaster (Ohio). Sept autres, au Canada et aux États-Unis, ont commencé ou vont commencer le recyclage[103].

En 2009, le groupe Nippon Mining & Metals répond à un appel à projets du METI et doit inaugurer en 2011 une unité industrielle de récupération du cobalt, du nickel, du lithium et du manganèse des cathodes de batteries lithium-ion[157].

En Europe, le recyclage émerge dans les anénes 2010 : en Belgique, Umicore (par voie pyrométallurgique), et en France Récupyl à Domène (par voie hydrométallurgique)[52] s'y consacrent, mais la liquidation judiciaire de Récupyl est prononcée le 7 août 2018[158]. La Société nouvelle d'affinage des métaux (SNAM) à Viviez (Aveyron), filiale de la holding belgo-floridienne, retraite 6 000 tonnes d'accumulateurs par an, dont 8 % de batteries d'automobiles en 2017 ; elle doit fabriquer 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, elle annonce un autre site (dans l'Aveyron) pour y 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[159].

Des études portent sur de nouveaux moyens de recycler le lithium des batteries[160]. Le lithium contenu dans les verres et céramiques reste toutefois trop diffus pour être récupéré.

Le 9 mai 2023, Glencore s'associe à l'entreprise canadienne Li-Cycle pour étudier la création d'un centre européen de recyclage de batteries au lithium à Portovesme, en Italie. La construction de ce nouveau centre pourrait débuter entre fin 2026 et début 2027. Il aurait la capacité de traiter entre 50 000 et 70 000 t de déchets prétraités par an[161].

Le rapport 2023 de l'USGS recense 44 compagnies aux Canada et aux États-Unis et 47 autres en Europe qui recyclent les batteries au lithium ou prévoient de le faire[47].

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

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• Dominique Larcher, « Le lithium : histoire, synthèse, réactivité, usages », conférence, Collège de France, 22 février 2021 (consulté le 24 février 2021)
• (en) « Technical data for Lithium » (consulté le 23 avril 2016) (donne en sous-pages les données connues pour chaque isotope)