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Lithium

élement chimique ayant le numéro atomique 3
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Lithium
Image illustrative de l’article Lithium
Lithium flottant dans de la paraffine.
HéliumLithiumBéryllium
H
  Structure cristalline cubique centrée
 
3
Li
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
Li
Na
Tableau completTableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Li
Nom Lithium
Numéro atomique 3
Groupe 1
Période 2e période
Bloc Bloc s
Famille d'éléments Métal alcalin
Configuration électronique [He] 2s1
Électrons par niveau d’énergie 2, 1
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 6,941 ± 0,002 u[a]
Rayon atomique (calc) 145 pm (167 pm)
Rayon de covalence 128 ± 7 pm[3]
Rayon de van der Waals 182 pm
État d’oxydation +1
Électronégativité (Pauling) 0,98
Oxyde base forte
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,391719 eV 2e : 75,6400 eV
3e : 122,45429 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
6Li7,5 %stable avec 3 neutrons
7Li92,5 %stable avec 4 neutrons
8Li{syn.}0,838 sβ-168Be
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire Solide diamagnétique
Masse volumique 0,534 g·cm-3 (20 °C)[2]
Système cristallin Cubique centré
Dureté 0,6
Couleur Blanc argenté / gris
Point de fusion 180,5 °C[2]
Point d’ébullition 1 342 °C[2]
Énergie de fusion 3 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 145,92 kJ·mol-1
Température critique 3 223 °C[5]
Pression critique 68,9 MPa[5]
Volume critique 66 cm3·mol-1[5]
Volume molaire 13,02×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 1,63×10-8 Pa
à 180,54 °C
Vitesse du son 6 000 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique 3 582 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 10,8×106 S·m-1
Conductivité thermique 84,7 W·m-1·K-1
Divers
No CAS 7439-93-2
No ECHA 100.028.274
No CE 231-102-5
Précautions
SGH[6],[7]
SGH02 : InflammableSGH05 : Corrosif
Danger
H260, H314, EUH014, P223, P231, P232, P280, P305, P338, P351, P370, P378, P422,
SIMDUT[8]
B6 : Matière réactive inflammableE : Matière corrosive
B6, E,
NFPA 704[9]
Transport[10]
X423
   1415   

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le lithium est l'élément chimique de numéro atomique 3, de symbole Li. C'est un métal alcalin, situé dans le premier groupe du tableau périodique des éléments.

Les noyaux des deux isotopes stables du lithium (6Li et 7Li) comptent parmi les noyaux atomiques ayant l'énergie de liaison par nucléon la plus faible de tous les isotopes stables, ce qui signifie que ces noyaux sont en fait assez peu stables comparés à ceux des autres éléments légers. C'est pourquoi ils peuvent être utilisés dans des réactions de fission nucléaire comme de fusion nucléaire. C'est également la raison pour laquelle le lithium est moins abondant dans le système solaire que 25 des 32 éléments chimiques les plus légers[11]. Sa surabondance relative dans la nature par rapport aux prédictions des seules nucléosynthèses primordiale et stellaire s'explique en fait par sa nucléosynthèse interstellaire (phénomène de spallation cosmique) par bombardement d'éléments plus lourds par des rayons cosmiques.

Le lithium joue un rôle important en physique nucléaire. Le lithium sert à la production de tritium par la réaction : 6Li + n → 4He + 3H. Par ailleurs, le deutérure de lithium de formule 6Li2H sert de combustible à la bombe H.

Le lithium pur est un métal mou, de couleur gris argenté, qui se ternit et s'oxyde très rapidement au contact de l'air et de l'eau, prenant une teinte gris foncé virant rapidement à l'anthracite et au noir. C'est l'élément solide le plus léger. Comme les autres métaux alcalins, le lithium métallique réagit facilement avec l'air et avec l'eau. Il est pour cette raison conservé dans de l'huile minérale pour le préserver de l'air.

Le lithium est utilisé par l'industrie du verre et des céramiques, pour produire des piles et batteries rechargeables ou à haute tension, des lubrifiants spéciaux, le traitement de l'air vicié par le CO2, par la métallurgie et l'industrie du caoutchouc et des thermoplastiques, la chimie fine, la production d'alliages.

Très réactif, le lithium n'existe pas à l'état natif dans le milieu naturel, mais uniquement sous la forme de composés ioniques. On l'extrait de roches de type pegmatite, ainsi que d'argiles et de saumures. L'élément chimique est utilisé le plus souvent directement à partir des concentrés miniers. Pour l'obtenir industriellement à l'état métallique, on utilise la technique de l'électrolyse en sel fondu (55 % LiCl et 45 % KCl, à 400 °C).

Les réserves mondiales de lithium étaient estimées par l'USGS à 13 millions de tonnes à la fin de 2010, dont 58 % en Bolivie et 27 % en Chine. En janvier 2018, cette estimation de l'USGS était passée à 16 millions de tonnes, et l'ensemble des ressources identifiées à 53,8 millions de tonnes. La production mondiale, quant à elle, s'est élevée à 43 000 tonnes en 2017, hors États-Unis (dont les données ne sont pas rendues publiques par l'USGS), assurée essentiellement par l'Australie (43 %), le Chili (33 %), l'Argentine (13 %) et la Chine (7 %).

Le lithium est présent à l'état de traces dans les océans et chez tous les êtres vivants. Il ne semble pas avoir de rôle biologique notable car les animaux et les végétaux peuvent vivre en bonne santé dans un milieu dépourvu de lithium. Les éventuelles fonctions non vitales du lithium n'ont pas non plus été élucidées, cependant l'administration d'ions Li+ sous forme de sels de lithium s'est révélée efficace comme thymorégulateur, notamment en cas de trouble bipolaire[12].

HistoireModifier

 
Johan August Arfwedson, découvreur du lithium

Le lithium (du grec λίθος (lithos) signifiant « pierre »[13]) a été découvert par le chimiste suédois Johan August Arfwedson en 1817 en analysant de la pétalite (LiAlSi4O10)[14],[15]. En 1800 lors d'un voyage en Europe, José Bonifácio de Andrada e Silva découvrit un nouveau minéral sur l'île de Utö dans la commune de Haninge en Suède qu'il nomma pétalite[16]. C'est en analysant cette roche qu'Arfwedson, qui travaillait dans le laboratoire de Berzelius, identifia un nouvel élément jusque-là inconnu. Plus tard, il détecta le même élément dans des minéraux de spodumène (LiAlSi2O6) et de lépidolite (K(Li,Al)3(Si,Al)4O10(F,OH)2) eux aussi en provenance de l'île de Utö[17]. C'est pour souligner son origine minérale, contrairement aux deux autres alcalins connus à l'époque le potassium et le sodium qui avaient été découverts dans le règne végétal, que Berzelius suggéra de le nommer lithion[15],[18],[19].

En 1818, Christian Gmelin (1792 - 1860) fut le premier à observer que ces sels (de lithium) donnaient une flamme rouge et brillante[20].

Toutefois, les deux hommes cherchèrent à isoler l'élément de son sel mais n'y parvinrent pas. L'élément fut isolé par électrolyse d'un oxyde de lithium par William Thomas Brande et Sir Humphry Davy.

La production commerciale de lithium commença en 1923 par la firme allemande Metallgesellschaft AG qui utilisa l'électrolyse d'un mélange de chlorure de lithium et de chlorure de potassium fondu[21].

Les différentes nations impliquées dans le développement de la bombe thermonucléaire à la fin des années 1940 et au début des 1950 produisent du deutérure de lithium enrichi en lithium 6. Le lithium appauvri est introduit sur le marché des réactifs, augmentant significativement l'incertitude sur la masse atomique du lithium. En conséquence, la masse atomique d'échantillons de lithium (naturels et commerciaux) peut varier entre 6,9387 et 6,9959 u[1].

IsotopesModifier

Article détaillé : Isotopes du lithium.

Les deux isotopes stables du lithium présents dans la nature sont 6Li et 7Li, ce dernier étant le plus abondant (92,5 %)[22],[23].

En 2012, les radioisotopes 3Li, 4Li, 5Li, 8Li, 9Li, 10Li, 11Li, 12Li et 13Li ont par ailleurs déjà été observés[24]. 12Li et 13Li sont ceux qui ont été découverts le plus récemment, en 2008[25]. Parmi ces isotopes radioactifs les plus stables sont le 8Li avec une demi-vie de 838 ms et le 9Li avec une demi-vie de 178 ms[26].

AbondanceModifier

Dans l'universModifier

Article détaillé : nucléosynthèse.
 
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 qu'au sein des étoiles les plus anciennes, le lithium est mélangé et détruit, alors qu'il est produit dans les étoiles les plus jeunes. 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].

Sur TerreModifier

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 ppm en poids (c'est à dire entre 20 et 70 mg / kg)[33]. A 20 mg par kg de croûte terrestre[34], le lithium est le 33e 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 parties par million[38],[39] (ppm) ou 25 micromole[40]. On observe cependant des concentrations plus importantes, proches de 7 ppm, à proximité des monts hydrothermaux[39].

BiologiqueModifier

Le lithium est trouvé à l'état de traces dans le plancton, dans de nombreuses plantes et invertébrés à des concentrations variant de 69 ppb à 5 760 ppb. Dans les tissus et fluides vitaux des vertébrés, la concentration varie de 21 à 763 ppb[41]. Les organismes marins accumulent davantage de lithium dans leurs tissus que leurs homologues terrestres[42].

Le rôle du lithium dans le vivant est encore assez obscur[41] mais des études nutritionnelles chez les mammifères l'impliquent comme facteur de bonne santé et suggèrent qu'il doit être considéré comme un élément-trace essentiel avec une DJA de l'ordre de 1 mg/jour[43].

En 2011 une étude épidémiologique observationnelle semble indiquer un lien entre le taux de lithium dans l'eau de boisson et la longévité[43].

Réserves terrestres et productionModifier

Production minière et réserves de lithium en tonnes[44]
Pays Production 2017 Production 2018 estimée Réserves prouvées Ressources estimées
  Argentine 5 700 6 200 2 000 000 14 800 000
  Australie 40 000 51 000 2 700 000 7 700 000
  Bolivie nd nd nd 9 000 000
  Brésil 200 600 54 000 180 000
  Canada nd nd nd 2 000 000
  Chili 14 200 16 000 8 000 000 8 500 000
  Chine 6 800 8 000 1 000 000 4 500 000
  République démocratique du Congo nd nd nd 1 000 000
  États-Unis[b] 870[45] nd 35 000 6 800 000
  Mexique nd nd nd 1 700 000
  Portugal 800 800 60 000 130 000[46]
  Russie nd nd nd 1 000 000
  Serbie nd nd nd 1 000 000[47]
  Zimbabwe 800 1 600 70 000 540 000
Total mondial 69 000 85 000 14 000 000 62 000 000

Les réserves mondiales de lithium étaient estimées en février 2019 par l'United States Geological Survey à 14 Mt (millions de tonnes) et les ressources ultimes à 62 Mt, dont 24 % en Argentine, 15 % en Bolivie, 14 % au Chili, 12 % en Australie et 7 % en Chine[44].

Au tableau s'ajoutent les ressources d'autres pays : République tchèque 1300 tonnes, Mali 400 tonnes, Espagne 400 tonnes, Allemagne 180 tonnes, Pérou 130 tonnes, Autriche 75 tonnes, Finlande 40 tonnes, Kazakhstan 40 tonnes, Namibie 9 tonnes.

En 2018, la production mondiale s'est élevée à 85 000 tonnes (2017 : 69 000 tonnes), dont 60 % en Australie, 19 % au Chili, 9 % en Chine et 7 % en Argentine[44]. Elle se situait à 28 100 tonnes en 2010, hors États-Unis (dont les données ne sont pas rendues publiques par l'USGS), assurée essentiellement par le Chili (35 %), l'Australie (34 %), la Chine (18 %) et l'Argentine (11,5 %)[48]. Les principaux producteurs étaient en 2008 le Chili, avec le Salar d'Atacama (39,3 % de la production mondiale), la Chine (13,3 %) et l'Argentine (9,8 %), selon les statistiques du Meridian International Research[49].

BP donne des estimations de production nettement inférieures avec un total de 61 800 tonnes en 2018, l'écart portant pour l'essentiel sur l'Australie dont la production est de 27 200 tonnes selon l'entreprise. Pour les réserves, BP reprend les estimations de l'USGS. Les réserves assureraient ainsi 227 ans de production au rythme actuel[50].

GisementsModifier

 
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 :

  • chlorures (LiCl), essentiellement dans les saumures de certains vieux lacs salés continentaux et mélangé à d'autres sels de métaux alcalins, de certaines eaux géothermales ou de champs pétrolifères ;
  • silicates, dont spodumène, LiAl (Si2O6) ou pétalite (Li(AlSi4O10)) dans la pegmatite ;
  • l’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.
  • le rhassoul, une argile marocaine riche en stevensite (Mg3Si4O10(OH)2 et lithium[51]).

Le plus grand gisement mondial est le salar d'Uyuni, dans le département de Potosí, dans le sud-ouest de la Bolivie. Avec un tiers de la ressource mondiale, il intéresse notamment le groupe Bolloré[52]. 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[52].

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[52].

L'Argentine possède également un gisement de lithium, avec le 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[53].

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 Li (plus de 25 % de la production mondiale de lithium (réserves prouvées et probables : 31,4 millions de t de minerai renfermant 1,43 % de Li))[53]. Dans la même région Galaxy Ressources a entamé en 2010 l'exploitation à ciel ouvert d'un gîte de pegmatite 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 millions de t de minerai contenant 1,04 % de Li2O et 146 ppm de Ta2O5 « principalement expédié en Chine et transformé en carbonate de lithium »[54]).

D'autres gisements sont exploités, notamment des lacs asséchés (en) au Tibet[55], 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 Salar 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[56], mais la société chargée du projet a fermé ses portes en 2015[57].

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[58]. Un projet de mine est à l'étude dans l'Abitibi[59].

En Afghanistan de très importantes réserves ont été mentionnées en juin 2010 dans la presse[60].

FranceModifier

En France, selon le BRGM, un petit gisement (« gîte de gros tonnage à faible teneur en Sn, Ta-Nb, Li, Be », encore inexploité) existe à Tréguennec (Tregeneg) dans le Finistère[61],[62] et 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 amblygoniteÉchassières, Montrebas, Monts d'Ambazac). En 2015, seuls le site d’Echassières en fournit (par le groupe Imerys), comme sous-produit de l'exploitation de kaolin, sables et granulats. Dans ce cas le gîte est lié à un apex leucogranitique différencié (albitite) Son potentiel a été estimé par le BRGM à 280 000 t Li2O à 0,7 %, sous forme de lépidolite disséminée (mica lithinifère), accompagné de 20 000 t Sn + 5 000 t WO3 + 5 000 t Ta-Nb. Le minerai est assez difficile à exploiter en raison de sa richesse en fer et en fluor[63].
Des indices ponctuels d'une faible présence de minéraux à lithium ont aussi été trouvés en Guyane par le BRGM.

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) et 443 200 t de « ressources supposées »[64].

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. 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[65].

ProductionModifier

 
Production mondiale de lithium en milliers de tonnes par an. N.B. : ce graphique, qui utilise des données de l'USGS, peut être trompeur, car il ne se réfère pas au contenu en lithium pur, mais aux tonnages de minerais exploités, avec une teneur moyenne d'environ 6 à 7 %[66].

L'USGS estime la production mondiale en 2018 à 85 000 tonnes (2017 : 69 000 tonnes, 2016 : 38 000 tonnes, 2015 : 31 500 tonnes), dont 51 000 tonnes en Australie, 16 000 tonnes au Chili, 8 000 tonnes en Chine et 6 200 tonnes en Argentine[44].

En 2017, 136 petites compagnies ont investi 157 millions de dollars dans la recherche du lithium, un doublement par rapport à 2016[67].

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[68], 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, au nord du Mexique et en Serbie. 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 (avec ses filiales Rockwood Lithium, Talison Lithium, etc.) et FMC, le chilien (Sociedad Química y Minera de Chile (SQM) et le chinois Tianqi[69].

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[70].

PropriétésModifier

 
Raies spectrales du lithium en couleur

Le lithium est le métal ayant la plus faible masse molaire et la plus faible densité, avec une masse volumique inférieure de moitié à celle de l'eau. Conformément à la loi de Dulong et Petit, c'est le solide ayant la plus grande chaleur massique.

Comme les autres métaux alcalins, le lithium réagit facilement au contact de l'eau ou de l'air (cependant moins que le sodium) ; il n'existe pas à l'état natif.

Lorsqu'il est placé au-dessus d'une flamme, celle-ci prend une couleur cramoisie mais lorsqu'il commence à brûler, la flamme devient d'un blanc très brillant. En solution, il forme des ions Li+.

Propriétés physiquesModifier

 
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 2/3 celle de l'azote liquide (0,808 g/cm3)[71]. 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.

UtilisationModifier

 

Estimation des usages du lithium à l'échelle mondiale en 2018[44].

  • Piles et batteries (56 %)
  • Verres et céramiques (23 %)
  • Graisses lubrifiantes (6 %)
  • Polymères (4 %)
  • Coulée continue (3 %)
  • Traitement de l'air (2 %)
  • Autres usages (6 %)

En 2018, il est utilisé pour réaliser des piles et des batteries au lithium (56 % de la production de lithium), des verres et des céramiques (23 %), pour les graisses lubrifiantes (6 %), et à des taux moindres pour les matériaux comme la métallurgie (coulée continue : 3 %), la production de polymères (4 %), ainsi que pour le traitement de l'air (recyclage de l'air dans des espaces confinés : 2 %)[44],[72].

 

Estimation de l'évolution des usages du lithium à l'échelle mondiale (2006-2018)[44].

Stockage de l'électricitéModifier

Le lithium est souvent utilisé dans les électrodes[73] 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 2018 c'est le premier usage du lithium à l'échelle mondiale[44].

Verres et céramiquesModifier

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[74] ; par ailleurs, il a une faible interaction avec les 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.

Graisses lubrifiantesModifier

La troisième utilisation la plus courante du lithium est celle des graisses lubrifiantes. L'hydroxyde de lithium est une base qui lorsqu'elle est chauffé 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[75],[76],[77].

PolymèresModifier

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

MétallurgieModifier

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[78], une utilisation qui représente 3 % de l'utilisation mondiale de lithium (2018)[44]. Les composés du lithium sont également utilisés comme additifs dans le sable de fonderie pour la fonte afin de réduire le veinage[79].

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[80] et élimine la formation d'oxydes en absorbant les impuretés[81]. 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 lithium-aluminium sont utilisés en France sur le Rafale)[82].

Traitement de l'airModifier

Le chlorure de lithium et le bromure de lithium sont extrêmement hygroscopiques et sont utilisés comme dessiccants[75].

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[83],[84]. 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 (en) qui alimentent les sous-marins en oxygène[85].

MédecineModifier

Article détaillé : Sel de lithium.

Le lithium est utilisé depuis longtemps dans le traitement des troubles bipolaires. Il reste le traitement de référence avec lequel les autres thymorégulateurs sont comparés. Le principe actif des sels de lithium est l'ion Li+, bien que les mécanismes d'actions précis soient encore débattus.

Les sels de lithium, comme le carbonate de lithium, le citrate de lithium ou l'orotate de lithium, sont utilisés comme régulateurs de l'humeur pour le traitement des troubles bipolaires (anciennement psychose maniaco-dépressive)[86],[87], toutefois, ce métal possède une néphrotoxicité non négligeable, il est nécessaire de réaliser un bilan rénal en début de traitement et de doser le lithium sanguin mensuellement.

Le lithium est aussi utilisé avec certains antidépresseurs tel la fluoxétine pour traiter les troubles obsessionnels compulsifs.

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

Le lithium 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).

Autres usagesModifier

Le lithium 6 est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).

Économie, consommationModifier

La demande ayant explosé, notamment pour la production de batteries lithium-ion pour le marché de l'informatique et de la téléphonie, le prix du lithium est passé d'environ 310 à 2 000 €/tonne (350 à près de 3 000 $/tonne) entre 2003 et 2008[52], et dépasse 9 000 $/tonne en 2017[88].

Un rapport de la Banque mondiale publié en juillet 2017[89] prévoit que le développement des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'électricité produite par les sources éoliennes et solaires pourrait entraîner un bond de 1000 % de la demande de lithium, si le monde prend les mesures requises pour contenir l'élévation de la température nettement en dessous de °C par rapport aux niveaux préindustriels.

Les analystes de la banque Morgan Stanley prévoient toutefois, en avril 2018[90] une chute de 45 % du prix du lithium d'ici à 2021 grâce aux nombreux projets en développement au Chili, qui pourraient augmenter l'offre mondiale de 500 000 tonnes/an. Les experts de Wood Mackenzie prévoient également que dès 2019, la hausse de l'offre commencera à dépasser celle de la demande et que le niveau des prix déclinera en conséquence.

Selon un rapport gouvernemental chinois cité en mai 2019 par un média Hongkongais, la Chine serait désormais capable de diviser par huit le coût d’extraction du lithium : de 17.000 dollars la tonne actuellement facturés en moyenne sur les contrats à longs terme, il passerait à moins de 2200 dollars. Avec une telle opportunité et la présence de la deuxième plus grande réserve de lithium au monde dans ses sols, la Chine deviendrait un acteur incontournable dans la production de batteries[91].

Ressource, environnementModifier

PénurieModifier

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[92]. Le cabinet Meridian International Research estimait en 2007 que les réserves ne suffiront pas même au remplacement initial du parc mondial de voitures[93]. Cette pénurie annoncée devancerait donc le problème du recyclage du lithium.

En 2015, une explosion de la demande pour les voitures électriques a entraîné un choc d'offre 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 dollars la tonne en 2019. D'après les analystes de Roskill, la demande dépassera 1 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[94].

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.

Impact de l'extractionModifier

Le lithium métallique réagit avec l'azote, l'oxygène et la vapeur d'eau dans l'air. Par conséquent, la surface de lithium devient 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[réf. souhaitée] à la toxicité des sels de lithium[95].

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 concentration 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.

Pour pomper la saumure, on a besoin de carburant ; puis, l'évaporation nécessite de larges espaces de salins ; enfin, la calcination du carbonate de lithium libère du CO2[96],[97].

Les populations locales, aux abords 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[98].

Enfin, la croissance 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[99].

RecyclageModifier

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[53].

La première usine de recyclage de lithium métal et de batteries lithium-ion fonctionne depuis 1992 en Colombie britannique, au Canada. Aux États-Unis, une usine de recyclage de batteries lithium-ion de véhicules électriques fonctionne depuis 2015 à Lancaster (Ohio)[44].

En 2009, le groupe japonais Nippon Mining & Metals annonce qu'il va, avec l'aide du METI et à la suite d'un appel à projets de ce dernier, mettre en fonction dès 2011 une unité industrielle de recyclage des cathodes de batteries lithium-ion, afin de récupérer le cobalt, le nickel, le lithium et le manganèse[100].

Le recyclage se développe également en Europe, notamment en Belgique, par Umicore à Hoboken, par voie pyrométallurgique, et en France, par Récupyl à Domène, par voie hydrométallurgique[53]. La liquidation judiciaire de Récupyl est prononcée le 7 août 2018[101].

La Société nouvelle d'affinage des métaux (Snam) à Viviez (Aveyron), filiale du holding belge Floridienne, retraite 6 000 tonnes d'accumulateurs par an, dont 8 % de batteries d'automobiles en 2017 ; elle fabriquera 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, l'entreprise cherche un nouveau site dans l'Aveyron pour 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[102].

Des études portent sur de nouveaux moyens[Lesquels ?] de recycler le lithium des batteries[103]. Le lithium contenu dans les verres et céramiques reste toutefois trop diffus pour être récupéré.

CommerceModifier

La France était importatrice nette de lithium en 2014, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 7 900 €[104].

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. Cette masse atomique est celle d'un échantillon de référence. La masse atomique du lithium peut varier entre 6,9387 et 6,9959 u, soit M = 6,967 ± 0,03 u, avec un écart significatif entre le lithium naturel non contaminé par le lithium enrichi en 7Li et le lithium commercial[1],[2]. Norman Holden suggère[1] que la masse atomique du lithium soit prise égale à 6,94 ± 0,06 u, soit avec une erreur de 0,9 %.
  2. Les statistiques de production de l'USGS excluent les États-Unis pour cause de secret commercial

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    Before recycling can be considered, a certain amount of Lithium will have to be extracted to equip the world vehicle fleet with batteries. That quantity is an unrealistically high percentage of the world's Ultimately Recoverable Reserves of Lithium.

    « Avant même que le recyclage puisse être considéré, une certaine quantité de lithium devra être extraite pour équiper le parc mondial de véhicules en batteries. Cette quantité représente un pourcentage déraisonnablement élevé des réserves ultimes mondiales de lithium. »

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  95. Hud Abderrezak, « Toxicité des sels de lithium », sur Analytical Toxicology, (consulté le 12 janvier 2019).
  96. « Le lithium, or blanc de la transition énergétique ? », Ressources et environnement, 19 mars 2012.
  97. « Le lithium, nouvel eldorado ou mirage éphèmère ? », Enerzine, 21 octobre 2009.
  98. Audric Doche, « L'extraction du lithium au Tibet extrêmement polluante », sur Caradisiac, (consulté le 12 janvier 2019).
  99. « Obsolescence des produits high-tech : comment les marques limitent la durée de vie de nos biens », Les Amis de la Terre, décembre 2012, p. 15.
  100. BE Japon numéro 514 (18/09/2009) - Ambassade de France au Japon / ADIT.
  101. « Récupyl », sur societe.com (consulté le 21 mai 2019).
  102. SNAM va fabriquer des batteries recyclées, Les Échos, 11 décembre 2017.
  103. L. Yao, Y. Feng, G. X. Xi, « A new method for synthesis of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 from waste lithium ion batteries », RSC Advances, 2015.
  104. « Indicateur des échanges import/export », sur Direction générale des douanes. Indiquer NC8=28252000 (consulté le 7 août 2015).

Voir aussiModifier

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BibliographieModifier

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

Articles de périodiquesModifier

  • (en) Tyler B. Coplen, John Karl Böhlke, P. De Bièvre, T. Ding, N. E. Holden, J. A. Hopple, H. R. Krouse, A. Lamberty, H. S. Peiser, K. Revesz, S. E. Rieder, K. J. R. Rosman, E. Roth, P. D. P. Taylor, R. D. Vocke et Y. K. Xiao, « Isotope-abundance variations of selected elements (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, Walter de Gruyter GmbH, vol. 74, no 10,‎ (ISSN 1365-3075, DOI 10.1351/pac200274101987, lire en ligne)  
  • (en) Conrad W. Kamienski, Daniel P. McDonald, Marshall W. Stark et John R. Papcun, « Lithium and Lithium Compounds », Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Wiley-Blackwell,‎ (ISBN 0471238961, DOI 10.1002/0471238961.1209200811011309.a01.pub2, lire en ligne)
  • (en) J.-M. Tarascon et M. Armand, « Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries », Nature, Nature Publishing Group, vol. 414, no 6861,‎ , p. 359-367 (ISSN 0028-0836, DOI 10.1038/35104644, lire en ligne)
  • (en) P. B. Tomascak, « Developments in the Understanding and Application of Lithium Isotopes in the Earth and Planetary Sciences », Reviews in Mineralogy and Geochemistry, GeoScienceWorld, vol. 55, no 1,‎ , p. 153-195 (ISSN 1529-6466, DOI 10.2138/gsrmg.55.1.153, lire en ligne).
  • (en) G. Audi, F.G. Kondev, M. Wang, B. Pfeiffer, X. Sun, J. Blachot et M. MacCormick, « The NUBASE2012 evaluation of nuclear properties », Chinese Physics C, Science Press, vol. 36, no 12,‎ , p. 1157–1286 (ISSN 1674-1137, lire en ligne)  
  • (en) Daniel Werner, A. Loges, Oliver Heeg, Nic Sautter, Achim Wiebelt et T. Wetzel, « Thermal management of Li-ion batteries and its influence on electrical performance », Proceedings 15. Internationales Stuttgarter Symposium, Springer Science + Business Media,‎ , p. 1535-1549 (ISBN 978-3-658-08843-9, ISSN 2198-7432, DOI 10.1007/978-3-658-08844-6_107, lire en ligne)

OuvragesModifier

  • [Garrett 2004] (en) Donald E. Garrett, Handbook of Lithium and Natural Calcium Chloride : Their Deposits, Processing, Uses and Properties, Burlington, Elsevier Academic Press, , 476 p. (ISBN 9780122761522 et 0122761529, OCLC 469401760)
  • [Krebs 2004] (en) Robert E. Krebs, The History and Use of Our Earth's Chemical Elements : A Reference Guide, Greenwood Publishing Group, , 2e éd., 422 p. (ISBN 9780313334382 et 0313334382)
  • [Weeks 2003] (en) Mary Elvira Weeks, Discovery of the Elements 1933, Kessinger Publishing, , 380 p. (ISBN 9780766138728 et 0766138720)

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Articles connexesModifier

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