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3
Li
Lithium

Données physico-chimiques

Données atomiques

Numéro atomique Masse atomique Configuration électronique Structure cristalline Rayon métallique pour la coordinence 12
3 6,941 g.mol-1 [He] 2s1 cubique centrée de paramètre a = 0,351 nm 156,2 pm

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Température d’ébullition Conductibilité électrique Conductibilité thermique Solubilité dans l’eau
0,534 g.cm-3 0,6 180,54°C 1 347°C 10,8.10S.m-1 84,7 W.m-1.K-1 oxydé avec dégagement de dihydrogène

Données chimiques

Électronégativité de Pauling État d’oxydation pKa : Liaq+/LiOHaq
E° : Li+ + e = Li(s)
E° : Li+ + (Hg) + e = Li(Hg)
pKs : LiOH
0,98 +1 13,8 -3,0  V -2,00 V 13,8

Données thermodynamiques

Lithium cristallisé :

  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 29,12 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 23,6 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 4,2 kJ.mol-1
  • Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 147,7 kJ.mol-1
Lithium gazeux :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 155,2 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 122,2 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 138,7 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 20,8 J.K-1mol-1

Données industrielles

Matières premières

La teneur en lithium (Li) de l’écorce terrestre est de 20 ppm (20 g/t), celle des océans est de 0,18 g/m3.

La production de lithium est assurée à partir de deux sources :

  • L’exploitation de saumures de lacs salés en partie asséchés, appelés « salars » et présents principalement dans l’Altiplano de la Cordillère des Andes et au Tibet. La teneur en lithium de ces lacs salés peut atteindre 0,16 % pour le « salar » d’Atacama, 0,05 % pour celui de Zhabuye, au Tibet. La zone des salars de la Cordillère des Andes a la forme d’un triangle, entre le nord-ouest de l’Argentine, le nord-est du Chili et le sud de la Bolivie.
    Le « salar » d’Uyuni, en Bolivie, situé à 3 656 m d’altitude et s’étendant sur 10 582 km2, pour l’instant non exploité industriellement, serait la plus grande accumulation connue de lithium, avec une teneur de 0,05 % de Li, représentant une ressource de 9 millions de t de lithium.
    Divers projets d’exploitation commencent à prendre forme, le gouvernement bolivien souhaitant développer une industrie du lithium, de la mine à la fabrication de batteries.
    En 2018, la production obtenue à partir de salars a été de 145 000 t en équivalent de carbonate de lithium, soit 45 % de la production mondiale. Les productions et utilisations de composés du lithium sont souvent exprimées en équivalent de carbonate de lithium, ce dernier étant la principale forme d’utilisation, sachant qu’une tonne de carbonate de lithium renferme 187 kg de lithium.
  • L’exploitation, généralement à ciel ouvert, de gisements de pegmatites granitiques contenant des silicoaluminates de lithium : spodumène (LiAlSi2O6), pétalite (LiAlSi4O10), lépidolite (KLi2AlSi3O10(OH,F)2). Par exemple, pour le gisement de spodumène de Greenbushes, en Australie, qui a une teneur de 1,43 % de Li2O, les minerais sont concentrés sur place à environ 6 % de Li2O. Le concentré de spodumène est soit utilisé directement dans les industries verrières et céramiques (pour les 2/3 de la production), soit transformé en composés simples du lithium (carbonate, hydroxyde…) pour le 1/3 restant.
    En 2018, la production obtenue à partir de spodumène a été de 180 000 t en équivalent de carbonate de lithium, soit 55 % de la production mondiale.

Il existe d’autres sources potentielles de lithium, dans des saumures géothermales et de champs pétrolifères ou dans des minerais contenant par exemple de la jadarite (LiNaSiB3O7(OH)), en Serbie, avec 1,8 % de Li2O et 13,1 % de B2O3. L’exploitation de ce gisement est en cours d’étude de la part de Rio Tinto.

Traitements

Les concentrés miniers sont soit utilisés directement dans les industries verrières et céramiques, cela représente 14 % de la production mondiale, en 2016, soit avec le lithium issu des saumures, transformés en composés simples de lithium, principalement, en carbonate (43 % de la consommation), mais aussi, en hydroxyde (17 % de la consommation), bromure (4 % de la consommation), butyllithium (4 % de la consommation), chlorure (4 % de la consommation)…. Une faible quantité (3 % de la consommation) est réduite en métal, par électrolyse en sel fondu (55 % LiCl, 45 % KCl), à 400°C.

A partir de saumures :
Par exemple, dans le « salar » d’Atacama exploité par SQM, la saumure, qui contient, 0,16 % de Li, est pompée à travers la croûte de sel à une profondeur variant de 1,5 m à 60 m puis est évaporée partiellement dans 1 700 hectares de bassins d’évaporation dans lesquels cristallisent les chlorures de sodium et de potassium. Le principal produit exploité, le chlorure de potassium, est récupéré. La saumure concentrée en chlorure de lithium, sa teneur en lithium atteint 6 %, est ensuite transportée par camions, sur 230 km, au Salar del Carmen, près d’Antofagasta, sur la côte du Pacifique, où a lieu la production de carbonate et hydroxyde de lithium. Une partie du chlorure de lithium est récupérée par cristallisation de la solution. L’essentiel de la solution de chlorure de lithium est traité par du carbonate de sodium pour obtenir du carbonate de lithium, avec une capacité de production, en 2018, de 70 000 t/an de carbonate. Une partie de la production de carbonate de lithium est traitée par de la chaux pour obtenir de l’hydroxyde de lithium, avec une capacité de production de 13 500 t/an d’hydroxyde.

A partir de minerais : il existe deux voies de traitement, une voie acide et une voie basique.

  • La voie acide consiste tout d’abord à calciner le concentré de spodumène vers 1100°C afin de transformer la forme alpha du spodumène, en forme bêta. Les deux formes ont des masses volumiques nettement différentes (3,20 pour la forme alpha et 2,35 pour la forme bêta) ce qui se traduit, lors de la transformation de phase par un phénomène de décrépitation c’est-à-dire par l’éclatement des grains de matière, du à une augmentation de volume de 27 %, permettant d’améliorer nettement l’efficacité du traitement hydrométallurgique qui suit.
    Après broyage en dessous de 200 µm, par réaction avec de l’acide sulfurique concentré, vers 200-250°C, on obtient du sulfate de lithium, qui après refroidissement vers 90-100°C, est extrait de la pulpe obtenue lors du traitement à l’acide sulfurique, avec de l’eau chaude. Une filtration permet de récupérer une solution purifiée contenant 250 g/L de Li2SO4, après traitement à l’hydroxyde de sodium pour éliminer, par augmentation du pH, les ions fer, aluminium, calcium et magnésium contenus. Un ajout d’acide sulfurique permet d’ajuster le pH et l’introduction, à 90-100°C, de carbonate de sodium précipite le carbonate de lithium.
  • La voie basique consiste à réaliser la calcination initiale du concentré, en présence de chaux qui donne du silicate de calcium et de l’oxyde de lithium. Après calcination, une lixiviation, à l’eau chaude, permet d’extraire une solution d’hydroxyde de lithium qui après concentration cristallise en LiOH,H2O, qui donne par séchage l’hydroxyde LiOH.

Productions

Productions minières

En 2019, la production mondiale de lithium contenu est de 77 000 t. Les principaux pays producteurs sont les suivants :

en tonnes de Li contenu
Australie 42 000 t Zimbabwe 1 600 t
Chili 18 000 t Portugal 1 200 t
Chine 7 500 t États-Unis (estimation) 700 t
Argentine 6 400 t Brésil 300 t

Source : USGS

La production du Chili se décompose, en 2017, en 73 563 t de carbonate de lithium, 5 280 t d’hydroxyde de lithium et 2 535 t de chlorure de lithium.

En 2018, la production australienne, sous forme de spodumène, a été de 324 000 t en équivalent de carbonate de lithium dont 125 000 t sous forme de concentrés directement exportés.

En Australie, les mines de spodumène sont situées en Australie Occidentale.

  • La société Talison Lithium détenue à 51 % par le groupe chinois Tianqi Lithium et à 49 % par le groupe américain Albemarle, exploite, à ciel ouvert, le gisement de spodumène de Greenbushes, situé à 250 km au sud de Perth. Le minerai est concentré pour être principalement expédié en Chine et transformé en carbonate de lithium. Les capacités de production sont de 1,34 million de t/an de concentré soit 80 000 t/an de carbonate de lithium. Les réserves prouvées et probables sont de 31,4 millions de t de minerai renfermant 1,43 % de Li.

En 2017, trois nouvelles mines de spodumède sont entrées en production, en Australie de l’Ouest :

  • Mount Marion, au sud de Kalgoorlie, détenue à 50 % par Mineral Resources Limited et à 50 % par Jiangxi Ganfeng Lithium qui a exporté, en 2018-19, 272 000 t de concentré de spodumène à 6 % de Li2O et 106 000 t de concentré de spodumène à 4 % de Li2O. Les réserves prouvées et probables sont de 77,8 millions de t de minerai renfermant 1,37 % de Li2O.
  • Wodgina, dans la région de Pilbara, détenue à 50 % par Mineral Resources Limited et 50 % par Albemarle a produit, en 2018-2019, 422 000 t de minerai totalement exporté. Mi-2019, la production minière a été interrompue dans l’attente du démarrage de l’usine de production d’hydroxyde de lithium de Kemerton. Les réserves sont de 142 millions de t de minerai renfermant 1,19 % de Li2O.
  • Mount Cattlin, proche de Ravensthorpe, exploitée par Galaxy Resources. En 2018, la production a été de 1,70 million de t de minerai contenant 1,08 % de Li2O ayant donné 156 689 t de concentré à 5,76 % de Li2O et une co-production de concentré d’oxyde de tantale. Les réserves prouvées et probables sont de 10,7 millions de t de minerai renfermant 1,15 % de Li2O et 107 ppm de Ta2O5.

En 2018, les trois nouvelles mines suivantes sont entrées en production :

  • Le projet de lithium-tantale de Pilgangoora situé à 120 km au sud de Port Hedland est développpé par Pilbara Minerals. En 2018/19 la production a été de 174 952 t de concentré de spodumène à 6 % et de 82 t de concentré de tantalite. Dans une première phase les capacités de production prévues sont de 330 000 t/an de concentré de spodumène et 146 t/an de concentré de tantalite. Les réserves prouvées et probables sont de 106 millions de t de minerai titrant 1,25 % de Li2O et 120 ppm de Ta2O5.
  • Sur le même dépôt de Pilgangoora, à 90 km au sud de Port Hedland, la société Altura Mining a débuté, en juillet 2018, une exploitation avec une capacité de production prévue de 220 000 t/an de concentré de spodumène à 6 %. En 2018/19, la production a été de 114 676 t de concentré de spodumène. Les réserves prouvées et probables sont de 37,6 millions de t renfermant 1,08 % de Li2O.
  • A 130 km au sud de Kalgoorlie, Alliance Mineral développe la mine de Bald Hill avec une capacité de production prévue de 155 000 t/an de concentré de spodumène. Les réserves prévues et probables sont de 11,3 millions de t de minerai renfermant 1,0 % de Li2O et 160 ppm de Ta2O5.

Le Chili exploite le « salar » d’Atacama qui s’étend, à 2 300 m d’altitude, sur 2 800 km2. La teneur en lithium n’est pas homogène, seules les zones les plus riches sont exploitées. La saumure exploitée, qui contient, en moyenne, 0,157 %, en masse, d’ions Li+, 2,36 % d’ions K+, 9,1 % d’ions Na+, 0,965 % d’ions Mg2+, 18,95 % d’ions Cl, 1,59 % d’ions SO42- est concentrée par évaporation naturelle et cristallisation des chlorures de sodium et de potassium. Le désert d’Atacama est particulièrement propice à ce type d’exploitation avec une pluviométrie inférieure à 15 mm/an. Le gisement est exploité par 2 sociétés, SQM depuis 1997 et Rockwood Lithium, acquis en janvier 2015 par Albemarle, depuis 1984, qui traitent les saumures concentrées dans des usines situées sur la côte du Pacifique, près d’Antofagasta. Le traitement des saumures conduit à la production de carbonate, hydroxyde et chlorure de lithium.

En Argentine, la société Livent, issue, en 2018, de FMC, exploite, depuis 1995, le « Salar » del Hombre Muerto.
La société australienne Orocobre, avec 66,5 % de participation, la société japonaise Toyota Tsusho avec 25 % et le gouvernement provincial avec 8,5 %, ont débuté, en avril 2015, l’exploitation à pleine capacité du salar de Olaroz, situé dans la région de Puna, dans la province de Jujuy, au nord de l’Argentine, à 3 900 m d’altitude, avec une capacité de production de 17 500 t/an de carbonate de lithium et une production, en 2019, de 12 605 t de carbonate de lithium. La teneur des saumures est de 690 mg/L de Li+, 5 730 mg/L de K+ et 1 050 mg/L de bore. Les ressources mesurées sont de 0,27 million de t de lithium, 2,08 millions de t de potassium et 0,39 million de t de bore. Les capacités de production sont en cours d’accroissement et une usine de production d’hydroxyde de 10 000 t/an est prévue pour 2021.
Le groupe français Eramet, développe un projet d’exploitation du salar de Centenario-Ratones qui s’étend sur 260 km2, à 3 800 m d’altitude. La capacité de production prévue, en 2021, est de 24 000 t/an en équivalent de carbonate de lithium, à l’aide d’un procédé original consistant à adsorber uniquement les ions lithium sur un substrat et à réinjecter la saumure dans le salar, en évitant l’étape de concentration de la saumure par évaporation.

La Chine exploite d’une part des lacs salés, Zhabuye au Tibet et Xitai, Dongtai et Charhan, dans la province du Qinghai et d’autre part des minerais de spodumène dans les provinces du Sichuan et du Jiangxi.

Au Zimbabwe, la mine de Bikita, à ciel ouvert, produit 30 000 t/an de minerai de lépidolite et de pétalite contenant 4,45 % de Li2O.

Aux États-Unis, le seul gisement, un lac salé, exploité par Albemarle, est celui de Silver Peak, dans le Nevada, avec une capacité de production de 6 000 t/an de carbonate de lithium.

Au Portugal,  dans le nord du pays, dans la région de Guarda, la société  Felmica, filiale du groupe Mota exploite un gisement de pétalite destiné à l’industrie céramique. Divers projets sont en cours de développement dont celui de la mine de spodumène de Barroso de la société Savannah Resources , dans le nord du pays, avec des ressources de 27 millions de t de minerai renfermant 1,06 % de Li2O. La production prévue est de 175 000 t/an de concentré de spodumène à 6 % de Li2O.

Réserves minières

Les réserves mondiales sont estimées à 17 millions de t en 2019. Elles se répartissent principalement entre les pays suivants :

en milliers de t de lithium
Chili 8 600 États-Unis 630
Australie 2 800 Canada 370
Argentine 1 700 Zimbabwe 230
Chine 1 000 Brésil 95
Source : USGS

Aux réserves listées par l’USGS, il faudrait ajouter celles de Bolivie estimées à 9 millions de t bien qu’elles ne soient considérées que comme des ressources.

Principaux producteurs

Les principaux producteur de Lithium sont les suivants :

  • Albemarle, exploite au Chili le « salar » d’Atacama ainsi que celui de Silver Peak, dans le Nevada, aux États-Unis, détient 49 % de la société Talison Lithium qui exploite le gisement de spodumène de Greenbushes, en Australie. En août 2019, et a acquis 50 % de la participation de Mineral Resources Limited dans l’exploitation de la mine de Wodgina. Détient 28 % du marché mondial avec une capacité de production de 65 000 t/an en équivalent de carbonate de lithium. A démarré, en août 2012, la production d’hydroxyde de lithium de haute pureté, avec une capacité de production de 5 000 t d’hydroxyde/an, à Kings Mountain, en Caroline du Nord, aux États-Unis. La production du salar d’Atacama est transformée en carbonate et hydroxyde de lithium à La Negra, près d’Antofagasta avec une capacité de production de 20 000 t/an de carbonate de lithium. Produit du butyllithium, à New Johnsonville, dans le Tennessee, aux États-Unis, à Langelsheim, en Allemagne, à Taichung, à Taïwan, dans le Gujarat, en Inde. Une unité de production d’une capacité de production de 50 000 t/an d’hydroxyde de lithium est en cours de construction à Kemerton en Australie de l’Ouest.
    En 2017, a acquis la société chinoise Jiangxi Jiangli New Material qui possède une capacité de production de 15 000 t/an de sels de lithium.
  • Sociedad Química y Minera de Chile (SQM) détient 17 % de la production mondiale. Le lithium est coproduit avec le chlorure de potassium, à partir des saumures du « salar » d’Atacama, au Chili. La société produit également à partir de ces saumures, du sulfate de potassium, de l’acide borique et du chlorure de magnésium. En 2018, les capacités de production sont de 70 000 t/an de carbonate de lithium et 13 500 t/an d’hydroxyde de lithium. En 2018, la production a été de 49 100 t d’équivalent en carbonate de lithium. Les réserves prouvées et probables sont, en 2018, de 88,1 millions de t de potassium, 84,2 millions de t d’ions sulfate, 8,55 millions de t de lithium, 2,84 millions de t de bore.
    A compter de 2019, les capacités de production de carbonate de lithium du salar d’Atacama devraient augmenter pour atteindre 100 000 t/an. Par ailleurs, en joint venture 50-50 avec Kidman Resources, acquis par Wesfarmers Chemicals en septembre 2019, développe en Australie de l’Ouest, un projet de mine de spodumène, à Mount Holland, avec une capacité de production prévue, en 2021, de 45 000 t/an d’hydroxyde de lithium et des ressources estimées de 189 millions de t de minerai renfermant 1,50 % de Li2O.
  • Le principal producteurchinois est Tianqi Lithium qui possède 51 % de la société Talison Lithium et exploite également, en Chine, le gisement de spodumène de Jiajika, dans la province du Sichuan et a en projet l’exploitation du salar de Zabuye, au Tibet. Par ailleurs, Tianqi Lithium a acquis, en 2018, une participation de 23,77 % dans le capital de la société chilienne SQM. A construit, à Kwinana, en Australie de l’Ouest une usine de production d’hydroxyde de lithium d’une capacité de 24 000 t/an devant être doublée.
  • Le groupe chinois Jiangxi GanfengLithium exploite le gisement de Mount Marion, au sud de Kalgoorlie, détenu moitié/moitié avec Mineral Resources Limited et est associé 51/49 à la société Lithium Americas dans le projet d’exploitation du salar de Cauchari-Olaroz, dans la province de Jujuy, en Argentine, avec une capacité de production prévue de 40 000 t/an de carbonate de lithium, en 2021 et des réserves prouvées et probables de 281 600 t de lithium contenu.
  • Livent, société  regroupant depuis 2018 les activités de FMC dans le lithium, exploite le « salar » del Hombre Muerto, en Argentine, avec une capacité de production de 18 000 t/an de carbonate de lithium devant être portée à 60 000 t en 2025. Par ailleurs, possède une capacité de production de 18 500 t/an d’hydroxyde. En 2018  les productions ont été de 17 238 t de carbonate, 5 005 t de chlorure, 15 936 t d’hydroxyde, 2 389 t de bultyllithium, 140 t de métal. Détient 9 % du marché mondial.

Commerce international

En 2017, les exportations chiliennes ont été de 65 276 t de carbonate de lithium.

En 2019, les importations des États-Unis sont de 2 500 t de Li contenu, les exportations, de 1 700 t.

Recyclage

Le lithium contenu dans les verres et les céramiques est trop dispersé pour être récupéré. Par contre, la récupération de celui renfermé dans les batteries se développe. Par exemple, aux États-Unis, Retriev Technologies a construit une usine de traitement des batteries lithium-ions, entrée en production en 2015, à Lancaster, dans l’Ohio.

En Belgique, à Hoboken, Umicore recycle, par voie pyrométallurgique, les matériaux des batteries au lithium. En France, la société Récupyl, à Domène (38) utilise une voie hydrométallurgique.

Situation française

La situation économique en France pour l’année 2019 est la suivante :

Production

Le gisement de kaolin d’Echassières (03), exploité par Imerys, co-produit des sables (mélange de quartz et de lépidolite) et des roches broyées lithinifères. La production est de 15 t/an de sables contenant 1,8 % de Li2O et 20 t/an de roches broyées contenant 0,9 % de Li2O. Ces produits sont directement utilisés en verrerie et élaboration de tuiles. Exprimée en Li contenu, la production est estimée, en 2009, à 208 t/an.

Par ailleurs, des gisements de lépidolite ont été exploités ponctuellement à Montrebras (23) et dans les monts d’Ambazac (87 et 23). Le gisement de Tréguennec (29), inexploité renferme des ressources de 40 millions de t à 0,33 % de Li.

Exportations

Les exportations d’oxyde et hydroxyde s’élèvent à 143 t, vers principalement les pays suivants :

  • à 41 % l’Allemagne,
  • à 20 % l’Italie,
  • à 14 % la Belgique,
  • à 12 % la Suisse.

Les exportations de carbonate s’élèvent à 625 t, vers principalement les pays suivants :

  • à 28 % la Belgique,
  • à 24 % l’Allemagne,
  • à 13 % l’Italie,
  • à 13 % le Royaume-Uni.

Importations

Les importations d’oxyde et hydroxyde s’élèvent à 6 905 t. Elles proviennent principalement des pays suivants :

  • à 94 % des Pays Bas,
  • à 2 % de Chine,
  • à 1 % d’Allemagne.

Les importations de carbonate s’élèvent à 1 694 t. Elles proviennent principalement des pays suivants :

  • à 34 % du Chili,
  • à 33 % d’Argentine,
  • à 10 % d’Allemagne,
  • à 7 % du Japon.

Utilisations

Consommations

La consommation mondiale, en 2018, est de 197 000 t en équivalent de carbonate de lithium, en 2016, à 40 % en Chine, 21 % en Europe, 11 % au Japon, 11 % en Corée du Sud, 8 % en Amérique du Nord.

Secteurs d’utilisation

Les secteurs les plus utilisateurs de lithium dans le monde, en 2019, sont les suivants :

Batteries et piles 65 % Caoutchoucs, thermoplastiques 3 %
Verres, céramiques 18 % Coulée continue 3 %
Graisses lubrifiantes 5 % Traitement de l’air 1 %
Source : USGS

En 2016, 86 % des utilisation ont été sous forme de composés simples du lithium (carbonate, hydroxyde, chlorure…) et 14 % directement sous forme de concentrés miniers, principalement dans les industries verrières et céramiques.

Dans les piles et batteries, le lithium est employé dans 2 types de piles (classique sous forme, en général « bouton » et thermique) et 2 types de batteries (lithium-ion et lithium-métal-polymère). Les principales qualités du lithium sont sa faible masse volumique (0,534 g/cm3 pour le métal) et son potentiel électrochimique fortement négatif (le potentiel standard du couple Li+/Li est de -3,04 V).

  • Dans les piles « bouton » au lithium, le lithium est sous forme métallique avec une quantité d’environ 0,09 g/pile.
  • Les piles thermique peuvent être stockées sans entretien et peuvent réagir instantanément lorsque l’électrolyte solide fond par chauffage. Ces piles pouvant fonctionner dans des environnements sévères ont surtout des application militaires et spatiales, dans les sièges éjectables d’avions, par exemple. La société française ASB-Group, avec une usine à Bourges (18) est le n°2 mondial pour ce type de pile, avec une production de 60 000 piles/an.
  • Les batteries lithium-ion sont constituées d’une cathode, en général formée d’un oxyde mixte de lithium, principalement LiCoO2 mais aussi LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4…, d’un électrolyte constitué de fluorophosphate de lithium (LiPF6), fluoroborate ou chlorate de lithium, dissous dans un solvant organique (carbonate d’éthylène, diméthyl ou diéthyl carbonate), d’un séparateur perméable aux ions Li+ et d’une anode généralement en graphite. Lors de la charge, les ions Li+ de la cathode viennent s’intercaler entre les feuillets du graphite. Lors de la décharge, ils circulent en sens inverse.
    La consommation des piles lithium-ion est en plein développement avec des applications dans les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et surtout les véhicules électriques ou hybrides. C’est dans ce secteur que le lithium est utilisé avec le plus de profit du fait de la puissance électrique élevée délivrée par unité de masse.
    En 2016, la capacité mondiale de production de batteries lithium-ions est de 27,9 GWh avec 16,4 GWh en Chine, 10,5 GWh en Corée du Sud, 1,0 GWh aux États-Unis. Avec les projets de constructions en cours, en 2020, avec 173,5 GWh, la Chine devrait représenter 62 % des capacités, les États-Unis, avec Tesla, 22 %, la Corée du Sud, 13 % et la Pologne 3 %.
  • Les batteries lithium-métal-polymère, sont constituées d’une anode en lithium métallique, d’un électrolyte solide de polyoxyéthylène renfermant des sels de lithium et d’une cathode en oxyde de vanadium ou phosphate de fer, carbone et polymère. Elle est industrialisée par le groupe Bolloré dans ses usines Blue solutions à Ergué-Gabéric, près de Quimper (29), en France, détenue à 80 % avec EdF et à Boucherville, dans la province du Québec, au Canada. Ces batteries équipaient les véhicules électriques Bluecar du réseau Autolib’ de Paris. Elles présentent l’avantage d’être solide et de ne pas risquer d’exploser mais l’inconvénient d’avoir un fonctionnement optimal à 85°C.

Consommation de lithium, en 2014, dans des batteries

Appareils Nombre d’unités, en millions Masse de Li par unité Masse totale de Li contenu
Smartphones 1 200 0,9 à 1,3 g 1 320 t
Tablettes 260 3,7 à 5,6 g 1 210 t
Ordinateurs portables 170 6,6 à 8,5 g 1 280 t
Outils portables 65 7,5 à 11,3 g 610 t
Véhicules hybrides 1,8 0,9 kg 1 690 t
Véhicules électriques 0,3 7,5 à 15 kg 3 380 t
Batteries stationnaires 0,3 t 190 t
Source : Albemarle

Dans les verres, l’oxyde de lithium diminue la température de fusion du verre et améliore sa résistance chimique. Sa teneur est, en général, comprise entre 0,1 et 0,25 %. Dans les fibres de verre, elle atteint de 0,2 à 0,7 %. Il est introduit à 58 % sous forme de minéraux (spodumène, lépidolite, pétalite) ou, à 42 %, sous forme de carbonate de lithium. En 2008, la consommation mondiale dans cette application a été de 2 810 t de Li.

Dans les céramiques, l’ajout d’oxyde de lithium abaisse la température de cuisson des produits. En 2008, la consommation a été de 3 200 t de Li, 57 % sous forme de concentrés miniers, 43 % sous forme de carbonate de lithium.

Le coefficient de dilatation thermique du spodumène est négatif, alors que celui des verres est positif. Une dispersion de cristaux de spodumène au sein d’une phase vitreuse (avec une concentration de l’ordre de 1016 cristaux/cm3), permet d’obtenir un coefficient de dilatation nul permettant de résister aux chocs thermiques ou pouvant être ajusté avec celui d’un support métallique. Ceci est à la base de la conception des vitrocéramiques utilisées à 90 % sous forme de plaques de cuisson. En 2008, la consommation de ce secteur a été de 1 750 t, à 69 % sous forme de concentrés miniers et 31 % sous forme de carbonate de lithium.
Il existe aussi des vitrocéramiques sans lithium, ce dernier étant remplacé par des composés de magnésium ou du baryum.

Les graisses lubrifiantes sont utilisées, par exemple, dans des roulements. Elles sont constituées d’huile et de savons métalliques, principalement de lithium, obtenus par réaction entre l’hydroxyde de lithium et un acide gras. Elles contiennent de 0,2 à 0,3 % de Li. En 2014, la consommation dans ce secteur a été de 3 366 t de lithium.

L’ajout de carbonate de lithium ou de concentrés miniers dans les bains de fusion permet d’améliorer leur fluidité et de préparer directement à partir du métal en fusion, divers profilés, par coulée continue.

Dans l’industrie des caoutchoucs synthétiques (élastomères styrène-butadiène (SBR), caoutchoucs polybutadiène (BR), copolymères styrène-blocs (SBC)), le lithium est utilisé sous forme de butyllithium (C4H9Li) afin de catalyser leur polymérisation. La consommation est de 0,3 kg de butyllithium/t de solution styrène-butadiène, 0,14 kg/t de butadiène.

Pour le traitement de l’air, les composés du lithium peuvent remplir 3 fonctions :

  • Refroidissement par absorption à l’aide d’une solution saturée de bromure de lithium (LiBr), refroidissement qui utilise une source de chaleur, par exemple dans les réfrigérateurs à gaz ou pétrole, au lieu d’un compresseur fonctionnant à l’électricité pour les systèmes classiques. Cette utilisation a consommé 1 045 t de Li, en 2008.
  • Déhumidification : à l’aide de chlorure de lithium, qui représente 10 % du marché, avec une consommation, en 2008, de 270 t de Li.
  • Purification de locaux clos (capsules spatiales, sous-marins) : par élimination du dioxyde de carbone, à l’aide d’hydroxyde de lithium selon la réaction :

2 LiOH + CO2 = Li2CO3 + H2O

La consommation dans ce secteur reste limitée, avec 5 t, en 2008.

Dans la métallurgie de l’aluminium l’ajout, jusqu’à 5 %, de carbonate ou de chlorure de lithium dans le bain de cryolithe permet de former du fluorure de lithium qui abaisse la température de fusion et limite les émissions de difluor. En 2007, 12 % de la production mondiale d’aluminium utilisait de tels bains, principalement en Europe et en Amérique du Nord.

L’ajout de 1 % de lithium dans l’aluminium, permet de diminuer sa masse volumique de 3 % et d’augmenter son module élastique de 6 %. Les alliages produits contiennent de 1,1 à 3,8 % de Li. En France, Constellium produit de tels alliages à Issoire (63) et Montreuil-Juigné (49). Un Airbus A380 contient 13,4 t d’alliages Al-Li soit 5 % de la masse de l’appareil, l’Airbus A350 devrait en contenir 40,3 t soit 23 % de la masse totale.

Utilisations diverses

  • Utilisé, en pharmacie, dans les troubles bipolaires.
  • Utilisé en électronique sous forme de niobate et tantalate de lithium.
  • L’isotope 6Li est extrait du lithium naturel qui en contient 7,5 %. Il est utilisé pour produire du tritium 3H, par bombardement de neutrons selon la réaction :

6Li + 1n = 4He + 3H

Le tritium, de période 12,32 années, est utilisé dans la fusion nucléaire entre le deutérium et le tritium, principe de fonctionnement de la bombe atomique H ou du programme ITER).

  • En pyrotechnie, sous forme de nitrate, il donne une couleur rouge.

Bibliographie

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