[Analyse SMM] Nouvelles technologies dans la production de carbonate de lithium : voies et goulets d'étranglement

La technologie de production du carbonate de lithium se trouve à un tournant décisif. Le procédé traditionnel d’évaporation-précipitation a dominé l’extraction du lithium des lacs salés pendant des décennies, tandis que la méthode de grillage du mica lithinifère a soutenu l’industrie des batteries au lithium à Yichun. Cependant, ces deux approches présentent des limites intrinsèques : la méthode des lacs salés est impuissante face aux saumures à rapport magnésium/lithium élevé, et la méthode du mica souffre de faibles taux de récupération et de volumes importants de résidus, ce qui préoccupe depuis longtemps l’industrie. Au cours des deux dernières années, une série de nouvelles technologies est sortie des laboratoires et des lignes pilotes. Certaines ont déjà obtenu une validation industrielle, tandis que d’autres restent bloquées sur la stabilité des matériaux et les effets d’échelle. La discussion qui suit porte sur deux voies principales : les lacs salés et la roche dure.

Voie des lacs salés : un changement de paradigme du « séchage au soleil » à l’extraction directe du lithium

La logique traditionnelle de l’extraction du lithium des lacs salés est la « concentration-précipitation » : la saumure est pompée dans des bassins de décantation, l’évaporation solaire se déroule sur plusieurs mois pour augmenter la concentration en lithium, puis les impuretés sont éliminées avant la précipitation. Cette méthode a été efficace dans les premiers projets à l’Atacama au Chili et à Qarhan au Qinghai, mais face aux lacs salés de type carbonate du Tibet et aux saumures de sous-type sulfate-magnésium à rapport magnésium/lithium élevé, la voie d’évaporation est soit perturbée par de grandes quantités de carbonate, soit entravée par les propriétés chimiques similaires du magnésium et du lithium, rendant la séparation difficile.

La technologie « nouvel adsorbant d’ions lithium + désorption au dioxyde de carbone » développée par l’Institut de génie des procédés de l’Académie chinoise des sciences est la percée la plus représentative dans cette direction. Son cœur est un nouvel adsorbant lié à des groupes fonctionnels synergiques polaires-non polaires, dont la sélectivité pour les ions lithium dépasse de loin celle des tamis ioniques traditionnels à base de manganèse ou de titane. En 2024, une installation pilote à l’échelle de la centaine de tonnes a été construite au lac salé de Jiezechaka au Tibet (à une altitude de 4 600 mètres). Les données opérationnelles ont montré que le rapport massique sodium/lithium est passé de 240 dans la saumure à moins de 1,0, que la récupération du lithium a dépassé 90 %, que la consommation d’eau douce est tombée du niveau de la centaine de tonnes des méthodes traditionnelles d’adsorption-membrane à 52 tonnes par tonne de produit, et que la DCO de la saumure résiduelle était proche du niveau de fond de la matière première.

La difficulté de mise en œuvre réside dans l'ingénierie en haute altitude. L'unité pilote de Jiezechaka a fonctionné pendant quatre mois avec une capacité d'adsorption stable, mais le passage de l'échelle de la centaine de tonnes à celle de la dizaine de milliers de tonnes implique l'uniformité de la distribution des fluides dans les lits mobiles continus, l'usure mécanique des adsorbants lors des cycles répétés d'adsorption-désorption, et l'efficacité du transfert de masse de la désorption triphasique gaz-liquide-solide du dioxyde de carbone — chacun de ces points constitue un défi classique du changement d'échelle en ingénierie. Lorsque cette technologie a passé l'évaluation des réalisations scientifiques et technologiques, elle a été reconnue comme « de niveau international avancé », mais pour entrer véritablement dans une production à grande échelle, au moins une validation supplémentaire à l'échelle du millier de tonnes ou plus est encore nécessaire.

La technologie d'« extraction du lithium par adsorption sur saumure brute » de Minmetals Salt Lake est un peu plus avancée. En mars 2025, la première installation au monde d'extraction de lithium à haute efficacité sur saumure brute de lac salé à l'échelle de dix mille tonnes a été mise en service à l'essai à Yiliping, dans le Qinghai, en seulement sept mois entre le début de la construction et l'achèvement. Sa clé technique est une méthode d'extraction du lithium par adsorption adaptée aux lacs salés de sous-type sulfate-magnésium, ne nécessitant aucun prétraitement de la saumure et traitant directement des systèmes complexes à haute teneur en magnésium, potassium et sodium. Le taux de récupération global des ressources en lithium est près du double de celui des procédés traditionnels. Cette installation fonctionne depuis plus d'un an, de manière continue et stable, avec un taux de charge unitaire et un taux de qualification des produits conformes aux attentes de conception.

Le progrès qu'elle apporte est structurel : les procédés traditionnels extraient d'abord le potassium puis le lithium, le lithium étant dilué par des pertes d'entraînement à chaque étape ; l'extraction directe du lithium à partir de la saumure brute saute l'étape d'évaporation et de concentration, raccourcissant considérablement le procédé et faisant passer le taux de récupération de 30 %-40 % à plus de 80 %. Pour le grand nombre de lacs salés de sous-type sulfate-magnésium du Qinghai, cette voie est reproductible.

L'adsorption à commande électrique est une direction plus avant-gardiste. L'équipe dirigée par Liu Zhong à l'Institut des lacs salés du Qinghai, Académie chinoise des sciences, a développé un matériau spinelle avec du manganèse substitué aux sites de titane (H₁.₃₃Ti₁.₁₇Mn₀.₅O₄), utilisant la stabilité structurelle des matériaux inertes à base de titane et l'activité électrochimique du manganèse pour atteindre une capacité d'adsorption du lithium de 43,58 mg/g dans le procédé d'adsorption à commande électrique, avec un coefficient de séparation Li/Na de 420,6. Le défi central de cette technologie est la « contradiction entre l'activité électrochimique et la stabilité structurelle » : les adsorbants à base de titane sont stables mais électrochimiquement inertes, tandis que ceux à base de manganèse sont actifs mais la dissolution du manganèse pendant les cycles conduit à l'effondrement structurel. La stratégie de l'équipe consistant à substituer partiellement le titane par du manganèse revient essentiellement à trouver un point d'équilibre entre les deux, mais la dissolution du manganèse et la dégradation des électrodes lors des cycles à long terme restent des obstacles clés à l'industrialisation. Ce travail en est encore au stade du laboratoire, publié dans Nano Letters et Environmental Science & Technology, et reste à une certaine distance de l'essai pilote.

Voie du mica : surmonter le problème de la « formation d'anneaux »

L'extraction du lithium à partir du mica lithinifère à Yichun, dans le Jiangxi, soutient un groupe d'entreprises dont Yongxing Materials et Jiangte Motor, mais le procédé traditionnel de grillage au sulfate présente un problème de procédé longtemps non résolu : la formation d'anneaux dans le four rotatif. Lors du grillage du minerai de mica à haute teneur en fluor, les fluorures réagissent avec les sels de potassium-sodium pour former des eutectiques à bas point de fusion qui adhèrent et croissent sur la paroi du four, forçant finalement des arrêts fréquents pour nettoyage. La corrosion des équipements et les faibles taux de récupération sont deux autres points douloureux.

Le projet « technologie et équipements d'extraction du lithium à haute efficacité pour le mica lithinifère » dirigé par China Aluminum International Changsha Institute s'attaque spécifiquement à ces trois problèmes. L'équipe a mis au point une « technologie de grillage par déplacement en sel fondu » qui modifie la voie réactionnelle du grillage à la source, inhibant la formation de phases à bas point de fusion et traitant ainsi les causes profondes de la formation d'anneaux et de la corrosion. Côté récupération, l'équipe a développé une technologie de récupération globale des métaux précieux tels que le potassium et le rubidium dans la solution de lixiviation, ainsi qu'un procédé d'élimination des impuretés sur l'ensemble du flux pour le carbonate de lithium de haute pureté. Le projet a maintenant atteint une application industrielle et un fonctionnement stable dans plusieurs projets, notamment Yongxing Special Steel, Lingneng Lithium, Fengxin Times et Yichun Longpan Times, avec une teneur en oxyde de lithium dans les résidus inférieure à 0,3 % et un lithium soluble inférieur à 0,02 %.

L'importance de la mise en œuvre de cette technologie réside dans sa « reproductibilité ». La capacité d'extraction du lithium à partir du mica de Yichun est énorme, mais la qualité des procédés varie selon les producteurs, et les problèmes de formation d'anneaux et de taux de récupération ont longtemps limité la compétitivité des coûts. Un paradigme technologique standardisé validé sur plusieurs projets a un effet direct sur la réduction des coûts pour toute l'industrie du mica lithinifère de Yichun. L'Association chinoise de l'industrie des métaux non ferreux l'a reconnu comme « de niveau international avancé », principalement parce qu'il a accompli le saut du laboratoire à l'industrialisation multi-projets.

« Innovation périphérique » dans la voie d'extraction

L'extraction par solvant n'est pas dominante dans l'extraction du lithium des lacs salés car la sélectivité des extractants et la pression environnementale ont toujours été des problèmes. Cependant, une équipe de l'Institut de génie des procédés de l'Académie chinoise des sciences a développé un système d'extraction pour les solutions contenant du lithium, proposant deux nouvelles méthodes de réextraction — la réextraction à l'eau et la réextraction au CO₂ — atteignant une récupération du lithium supérieure à 99 % et une DCO dans l'effluent inférieure à 10 ppm. Son scénario d'application est très spécifique : la liqueur mère de précipitation du lithium. Dans la production traditionnelle de carbonate de lithium, la liqueur mère après précipitation contient une quantité substantielle de lithium et est généralement renvoyée en amont pour retraitement, ce qui entraîne un procédé complexe et un faible rendement. Ce système d'extraction peut extraire directement le lithium de la liqueur mère à haute teneur en sodium-potassium en une seule étape pour produire du carbonate de lithium ou du chlorure de lithium. Il a été démontré sur la ligne de production de dix mille tonnes de Qinghai Xinghua Lithium Salt et sur la ligne pilote de Jiezechaka au Tibet, et une ligne d'extraction de liqueur mère de précipitation de lithium de dix mille tonnes chez Jiangxi Jiuling Lithium est en construction. Sa limitation réside dans la capacité de traitement : les méthodes d'extraction conviennent au traitement de solutions de lithium à haute concentration, mais pour la saumure brute avec des concentrations de lithium de seulement quelques dizaines à quelques centaines de mg/L, la perte d'extractant et l'entraînement de phase organique deviennent des problèmes économiques.

Directions à surveiller qui n'ont pas encore été mises à l'échelle

L'extraction électrochimique directe du lithium est l'un des domaines les plus actifs en matière de brevets. D'après le paysage des brevets, l'industrie passe de l'« optimisation d'un matériau unique » à l'« intégration au niveau du système » : les systèmes électrochimiques intégrés à membrane, les réacteurs de Faraday multi-compartiments et les architectures hybrides adsorption-électrochimie sont devenus les principales lignes d'innovation. Un signal notable est qu'environ 26 % des brevets de pointe visent l'hydroxyde de lithium comme produit final plutôt que le carbonate de lithium. Cela reflète la demande croissante d'hydroxyde de lithium des matériaux de cathode ternaires à haute teneur en nickel et le fait que les voies de procédé pour produire directement du LiOH sont sérieusement envisagées. Cependant, les goulots d'étranglement de l'industrialisation de la voie électrochimique sont clairs : dégradation à long terme des électrodes lors des cycles, encrassement des membranes (en particulier dans les saumures à rapport magnésium/lithium élevé) et optimisation de la consommation d'énergie au niveau du système. L'adsorption est actuellement la voie DLE la plus mature, tandis que les méthodes électrochimiques et membranaires restent au stade de « nécessitant une validation supplémentaire à plus grande échelle ».

Le couplage photothermique et l'adsorption solaire sont une autre direction digne d'attention. L'idée est d'utiliser l'énergie solaire pour chauffer directement l'adsorbant ou la solution de désorption, réduisant ainsi la consommation d'énergie du procédé. Dans les régions de lacs salés comme le Tibet et le Qinghai, riches en ensoleillement, si la consommation thermique de l'adsorption-désorption peut être combinée à l'utilisation de l'énergie solaire thermique, le coût marginal serait très compétitif. Cependant, cela en est encore à un stade de recherche précoce, avec très peu de données d'ingénierie sur les matériaux et la conception des systèmes.

Conclusion

Le centre de gravité concurrentiel de la technologie de production de carbonate de lithium est passé de « peut-on le produire » à « peut-on le produire de manière stable, à faible coût et écologique ». La validation à l'échelle de dix mille tonnes de l'extraction directe du lithium à partir de la saumure brute des lacs salés est une étape clé. Si l'installation de Yiliping de Minmetals Salt Lake peut démontrer la durée de vie des adsorbants et la stabilité du procédé de cette voie sur un cycle de deux à trois ans, elle entraînera une restructuration substantielle des coûts pour le développement des lacs salés du Qinghai et même du Tibet. Le grillage par déplacement en sel fondu dans la voie du mica est une amélioration de l'efficacité sur la base des capacités existantes, et sa valeur réside dans le fait de donner aux capacités à coût élevé de Yichun une marge de manœuvre. L'adsorption à commande électrique et l'extraction électrochimique directe du lithium représentent un avenir plus lointain. Leur potentiel réside dans la capacité à traiter des ressources à faible teneur et des saumures non conventionnelles (eau de champ pétrolifère, saumure géothermique) qui ne peuvent pas être économiquement valorisées par les méthodes traditionnelles, mais les problèmes de stabilité des matériaux et d'intégration des systèmes ne peuvent pas être résolus en un ou deux ans. Pour l'industrie, ce qui mérite vraiment d'être suivi maintenant est : les données opérationnelles à long terme de l'installation de Yiliping de Minmetals Salt Lake, les progrès de la mise à l'échelle au millier de tonnes de la technologie des lacs salés de type carbonate de l'Institut de génie des procédés de l'Académie chinoise des sciences, et le rythme d'adoption de la technologie de l'Institut de Changsha à Yichun. Le rythme de mise en œuvre de ces trois lignes déterminera la forme de la courbe des coûts du carbonate de lithium en Chine dans les années à venir.