Lithium

Le lithium (du grec : λίθος, romanisé : lithos, lit. “pierre”) est un élément chimique avec le symbole Li et le numéro atomique 3. C’est un métal alcalin doux, blanc argenté. Dans des conditions normales, c’est le métal le plus léger et l'élément solide le plus léger. Comme tous les métaux alcalins, le lithium est très réactif et inflammable, et doit être stocké dans de l’huile minérale. Lorsqu’il est coupé, il présente un éclat métallique, mais l’air humide le corrode rapidement pour lui donner un gris argenté terne, puis un noir terne. Il n’apparaît jamais librement dans la nature, mais seulement dans des composés (généralement ioniques), tels que les minéraux pegmatitiques, qui étaient autrefois la principale source de lithium. En raison de sa solubilité en tant qu’ion, il est présent dans l’eau de mer et est généralement obtenu à partir de saumures. Le lithium métal est isolé électrolytiquement à partir d’un mélange de chlorure de lithium et de chlorure de potassium.

Le noyau de l’atome de lithium frise l’instabilité, car les deux isotopes stables du lithium que l’on trouve dans la nature ont des énergies de liaison par nucléon parmi les plus faibles de tous les nucléides stables. En raison de sa relative instabilité nucléaire, le lithium est moins courant dans le système solaire que 25 des 32 premiers éléments chimiques, même si ses noyaux sont très légers : c’est une exception à la tendance selon laquelle les noyaux plus lourds sont moins courants. Pour des raisons connexes, le lithium a des utilisations importantes en physique nucléaire. La transmutation des atomes de lithium en hélium en 1932 a été la première réaction nucléaire entièrement artificielle, et le deutéride de lithium sert de combustible de fusion dans les armes thermonucléaires étagées.

Le lithium et ses composés ont plusieurs applications industrielles, notamment le verre et la céramique résistant à la chaleur, les lubrifiants à base de graisse de lithium, les additifs de flux pour la production de fer, d’acier et d’aluminium, les batteries au lithium et les batteries lithium-ion. Ces utilisations consomment plus des trois quarts de la production de lithium.

Le lithium est présent dans les systèmes biologiques à l'état de traces ; ses fonctions sont incertaines. Les sels de lithium se sont avérés utiles comme médicament stabilisateur de l’humeur dans le traitement des troubles bipolaires chez l’homme.

Histoire

La pétalite (LiAlSi4O10) a été découverte en 1800 par le chimiste et homme d'État brésilien José Bonifácio de Andrada e Silva dans une mine sur l'île d’Utö, en Suède. Cependant, ce n’est qu’en 1817 que Johan August Arfwedson, alors employé dans le laboratoire du chimiste Jöns Jakob Berzelius, a détecté la présence d’un nouvel élément lors de l’analyse du minerai de pétalite. Cet élément formait des composés similaires à ceux du sodium et du potassium, bien que son carbonate et son hydroxyde soient moins solubles dans l’eau et moins alcalins. Berzelius a donné à la matière alcaline le nom de “lithion/lithina”, du mot grec λιθoς (translittéré en lithos, signifiant “pierre”), pour refléter sa découverte dans un minéral solide, par opposition au potassium, qui avait été découvert dans des cendres de plantes, et au sodium, qui était connu en partie pour sa grande abondance dans le sang animal. Il a nommé le métal à l’intérieur du matériau “lithium”.

Arfwedson a ensuite montré que ce même élément était présent dans les minéraux spodumène et lépidolite. En 1818, Christian Gmelin a été le premier à observer que les sels de lithium donnent une couleur rouge vif à la flamme. Cependant, Arfwedson et Gmelin ont tous deux essayé, sans succès, d’isoler l'élément pur de ses sels. Il n’a été isolé qu’en 1821, lorsque William Thomas Brande l’a obtenu par électrolyse de l’oxyde de lithium, un procédé qui avait été utilisé auparavant par le chimiste Sir Humphry Davy pour isoler les métaux alcalins potassium et sodium. Brande a également décrit certains sels purs de lithium, comme le chlorure, et, estimant que le lithium (oxyde de lithium) contenait environ 55% de métal, il a estimé le poids atomique du lithium à environ 9,8 g/mole (valeur moderne ~6,94 g/mole). En 1855, de plus grandes quantités de lithium ont été produites par l'électrolyse du chlorure de lithium par Robert Bunsen et Augustus Matthiessen. La découverte de ce procédé a conduit à la production commerciale de lithium en 1923 par la société allemande Metallgesellschaft AG, qui a réalisé une électrolyse d’un mélange liquide de chlorure de lithium et de chlorure de potassium.

La production et l’utilisation du lithium ont connu plusieurs changements radicaux au cours de l’histoire. La première application majeure du lithium a été dans les graisses au lithium à haute température pour les moteurs d’avion et les applications similaires pendant la Seconde Guerre mondiale et peu après. Cette utilisation a été soutenue par le fait que les savons à base de lithium ont un point de fusion plus élevé que les autres savons alcalins, et sont moins corrosifs que les savons à base de calcium. La faible demande de savons et de graisses lubrifiantes au lithium a été soutenue par plusieurs petites exploitations minières, principalement aux États-Unis.

La demande de lithium a augmenté de façon spectaculaire pendant la guerre froide avec la production d’armes à fusion nucléaire. Le lithium 6 et le lithium 7 produisent tous deux du tritium lorsqu’ils sont irradiés par des neutrons, et sont donc utiles pour la production de tritium en soi, ainsi qu’une forme de combustible de fusion solide utilisé à l’intérieur des bombes à hydrogène sous la forme de deutéride de lithium. Les États-Unis sont devenus le principal producteur de lithium entre la fin des années 1950 et le milieu des années 1980. À la fin, le stock de lithium était d’environ 42 000 tonnes d’hydroxyde de lithium. Le lithium stocké était épuisé à 75% en lithium-6, ce qui était suffisant pour affecter le poids atomique mesuré du lithium dans de nombreux produits chimiques standardisés, et même le poids atomique du lithium dans certaines “sources naturelles” d’ions lithium qui avaient été “contaminés” par les sels de lithium rejetés par les installations de séparation des isotopes, qui s'étaient retrouvés dans les eaux souterraines.

Le lithium a été utilisé pour diminuer la température de fusion du verre et pour améliorer le comportement de fusion de l’oxyde d’aluminium lors de l’utilisation du procédé Hall-Héroult. Ces deux utilisations ont dominé le marché jusqu’au milieu des années 1990. Après la fin de la course aux armements nucléaires, la demande de lithium a diminué et la vente des stocks du ministère de l'énergie sur le marché libre a encore fait baisser les prix. Au milieu des années 1990, plusieurs entreprises ont commencé à extraire le lithium de la saumure, ce qui s’est avéré être une option moins coûteuse que l’exploitation souterraine ou à ciel ouvert. La plupart des mines ont fermé ou se sont réorientées vers d’autres matériaux parce que seul le minerai des pegmatites zonées pouvait être extrait à un prix compétitif. Par exemple, les mines américaines près de Kings Mountain, en Caroline du Nord, ont fermé avant le début du 21e siècle.

Le développement des batteries lithium-ion a fait augmenter la demande de lithium et est devenu l’utilisation dominante en 2007. Avec l’explosion de la demande de lithium dans les batteries dans les années 2000, de nouvelles entreprises ont étendu leurs efforts d’extraction de saumure pour répondre à la demande croissante.

Il a été avancé que le lithium sera l’un des principaux objets de la concurrence géopolitique dans un monde fonctionnant avec des énergies renouvelables et dépendant des batteries, mais cette perspective a également été critiquée pour avoir sous-estimé la puissance des incitations économiques à l’expansion de la production.

L’occurrence naturelle

Occurrence dans l’univers

Bien qu’il ait été synthétisé lors du Big Bang, le lithium (avec le béryllium et le bore) est nettement moins abondant dans l’univers que les autres éléments. Cela est dû aux températures stellaires relativement basses nécessaires pour détruire le lithium, ainsi qu'à l’absence de procédés communs pour le produire.

Selon la théorie cosmologique moderne, le lithium - dans les deux isotopes stables (lithium-6 et lithium-7) - était l’un des trois éléments synthétisés lors du Big Bang. Bien que la quantité de lithium produite lors de la nucléosynthèse du Big Bang dépende du nombre de photons par baryon, pour les valeurs acceptées, l’abondance du lithium peut être calculée, et il existe une “divergence cosmologique du lithium” dans l’univers : les étoiles plus anciennes semblent avoir moins de lithium qu’elles ne le devraient, et certaines étoiles plus jeunes en ont beaucoup plus. Le manque de lithium dans les étoiles plus anciennes est apparemment causé par le “mélange” du lithium à l’intérieur des étoiles, où il est détruit, alors que le lithium est produit dans les étoiles plus jeunes. Bien qu’il se transmute en deux atomes d’hélium à la suite d’une collision avec un proton à des températures supérieures à 2,4 millions de degrés Celsius (la plupart des étoiles atteignent facilement cette température à l’intérieur), le lithium est plus abondant que ce que les calculs actuels laissent présager dans les étoiles de la dernière génération. Nova Centauri 2013 est la première dans laquelle des preuves de la présence de lithium ont été trouvées.

On trouve également du lithium dans les objets substellaires de la naine brune et dans certaines étoiles orange anormales. Comme le lithium est présent dans les naines brunes plus froides et moins massives, mais qu’il est détruit dans les étoiles naines rouges plus chaudes, sa présence dans les spectres des étoiles peut être utilisée dans le “test du lithium” pour différencier les deux, car les deux sont plus petites que le Soleil. Certaines étoiles orange peuvent également contenir une forte concentration de lithium. Les étoiles oranges dont la concentration de lithium est plus élevée que d’habitude (comme Centaurus X-4) sont en orbite autour d’objets massifs - étoiles à neutrons ou trous noirs - dont la gravité attire manifestement le lithium plus lourd vers la surface d’une étoile à hydrogène-hélium, ce qui permet d’observer plus de lithium.

Occurrence sur terre

Bien que le lithium soit largement distribué sur Terre, il n’existe pas à l'état naturel sous forme élémentaire en raison de sa grande réactivité. La teneur totale en lithium de l’eau de mer est très importante et est estimée à 230 milliards de tonnes, où l'élément existe à une concentration relativement constante de 0,14 à 0,25 parties par million (ppm), soit 25 micromolaires ; des concentrations plus élevées, approchant 7 ppm, sont trouvées près des cheminées hydrothermales.

On estime que la teneur de la croûte terrestre varie de 20 à 70 ppm en poids. Comme son nom l’indique, le lithium forme une partie mineure des roches ignées, les plus grandes concentrations se trouvant dans les granites. Les pegmatites granitiques fournissent également la plus grande abondance de minéraux contenant du lithium, le spodumène et la pétalite étant les sources les plus viables sur le plan commercial. Un autre minéral important du lithium est la lépidolite qui est maintenant un nom obsolète pour une série formée par la polylithionite et la trilithionite. Une source plus récente de lithium est l’argile hectorite, dont le seul développement actif se fait par l’intermédiaire de la Western Lithium Corporation aux États-Unis. Avec 20 mg de lithium par kg de croûte terrestre, le lithium est le 25ème élément le plus abondant.

Selon le Handbook of Lithium and Natural Calcium, “le lithium est un élément relativement rare, bien qu’on le trouve dans de nombreuses roches et certaines saumures, mais toujours en très faibles concentrations. Il existe un nombre assez important de gisements de minéraux et de saumures de lithium, mais seuls quelques uns d’entre eux ont une valeur commerciale réelle ou potentielle. Beaucoup sont très petits, d’autres ont une teneur trop faible”.

L’US Geological Survey estime qu’en 2010, le Chili possédait de loin les plus grandes réserves (7,5 millions de tonnes) et la production annuelle la plus élevée (8 800 tonnes). L’une des plus grandes réserves de lithium se trouve dans la région de Salar de Uyuni, en Bolivie, qui en possède 5,4 millions de tonnes. Les autres principaux fournisseurs sont l’Australie, l’Argentine et la Chine. En 2015, le Service géologique tchèque a considéré l’ensemble des Monts Métallifères de la République tchèque comme la province du lithium. Cinq gisements sont enregistrés, un près de Cínovec est considéré comme un gisement potentiellement économique, avec 160 000 tonnes de lithium. En décembre 2019, la société minière finlandaise Keliber Oy a indiqué que son gisement de lithium de Rapasaari a des réserves prouvées et probables estimées à 5,280 millions de tonnes.

En juin 2010, le New York Times a rapporté que des géologues américains effectuaient des études de terrain sur des lacs salés secs dans l’ouest de l’Afghanistan, estimant que d’importants gisements de lithium s’y trouvaient. “Les responsables du Pentagone ont déclaré que leur analyse initiale à un endroit de la province de Ghazni montrait le potentiel de gisements de lithium aussi importants que ceux de la Bolivie, qui possède maintenant les plus grandes réserves connues de lithium au monde”. Ces estimations sont “principalement basées sur des données anciennes, qui ont été recueillies principalement par les Soviétiques pendant leur occupation de l’Afghanistan de 1979 à 1989”. Stephen Peters, le chef du projet de l’USGS sur les minéraux en Afghanistan, a déclaré qu’il n'était pas au courant de l’implication de l’USGS dans de nouvelles études sur les minéraux en Afghanistan au cours des deux dernières années. Nous n’avons pas connaissance de découvertes de lithium”, a-t-il déclaré.

Le lithium (“saumure de lithium”) est associé aux zones d’extraction de l'étain en Cornouailles, en Angleterre, et un projet d'évaluation à partir de trous de forage d’essai de 400 mètres de profondeur est à l'étude. En cas de succès, les saumures chaudes fourniront également de l'énergie géothermique pour alimenter le processus d’extraction et de raffinage du lithium.

Production

La production de lithium a fortement augmenté depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale. Le métal est séparé des autres éléments dans des minéraux ignés. Le métal est produit par électrolyse à partir d’un mélange de 55 % de chlorure de lithium et 45 % de chlorure de potassium fusionnés à environ 450 °C.

En 2015, la plus grande partie de la production mondiale de lithium se trouve en Amérique du Sud, où la saumure contenant du lithium est extraite de gisements souterrains et concentrée par évaporation solaire. La technique d’extraction standard consiste à évaporer l’eau de la saumure. Chaque lot dure de 18 à 24 mois.

En 1998, le prix du lithium était d’environ 95 USD/kg (ou 43 USD/livre).

Réserves

Les réserves mondiales identifiées en 2017, 2018, 2019 et 2020 ont été estimées par l’US Geological Survey (USGS) à 14 millions, 16 millions, 14 millions et 17 millions de tonnes, respectivement. Une estimation précise des réserves mondiales de lithium est difficile. L’une des raisons en est que la plupart des systèmes de classification du lithium sont élaborés pour les gisements de minerai solide, alors que la saumure est un fluide qu’il est difficile de traiter avec le même système de classification en raison des différentes concentrations et des effets de pompage.

Les ressources mondiales de lithium identifiées par l’USGS ont commencé à augmenter en 2017 en raison de la poursuite de l’exploration. Les ressources identifiées en 2016, 2017, 2018, 2019 et 2020 étaient respectivement de 41, 47, 54, 62 et 80 millions de tonnes.

En 2013, on estimait que le monde contenait environ 15 millions de tonnes de réserves de lithium, alors que 65 millions de tonnes de ressources connues étaient raisonnables. Au total, 75 % de l’ensemble des ressources se trouvent dans les dix plus grands gisements du monde. Une autre étude a noté que 83% des ressources géologiques de lithium se trouvent dans six saumures, deux pegmatites et deux dépôts sédimentaires.

Les trois premiers pays producteurs de lithium au monde à partir de 2016, selon le US Geological Survey, sont l’Australie, le Chili et l’Argentine. L’intersection du Chili, de la Bolivie et de l’Argentine constitue la région connue sous le nom de Triangle du Lithium. Le Triangle du Lithium est connu pour ses salines de haute qualité, notamment le Salar de Uyuni en Bolivie, le Salar de Atacama au Chili et le Salar de Arizaro en Argentine. On pense que le Triangle du Lithium contient plus de 75% des réserves connues de lithium existantes. On trouve des gisements en Amérique du Sud dans toute la chaîne de montagnes des Andes. Le Chili est le premier producteur, suivi par l’Argentine. Ces deux pays récupèrent le lithium des gisements de saumure. Selon l’USGS, le désert d’Uyuni en Bolivie contient 5,4 millions de tonnes de lithium. La moitié des réserves mondiales connues se trouvent en Bolivie, sur le versant centre-est des Andes. En 2009, la Bolivie a négocié avec des entreprises japonaises, françaises et coréennes pour commencer l’extraction.

Aux États-Unis, le lithium est récupéré dans les gisements de saumure du Nevada. Un gisement découvert en 2013 à Rock Springs Uplift, dans le Wyoming, contiendrait 228 000 tonnes. D’autres gisements dans la même formation ont été estimés à 18 millions de tonnes.

Au fil des ans, les avis ont divergé sur le potentiel de croissance. Une étude de 2008 a conclu que “la production de carbonate de lithium réalisable de façon réaliste ne suffirait qu'à une petite fraction des besoins futurs du marché mondial des VEHR et des VE”, que “la demande du secteur de l'électronique portable absorbera une grande partie des augmentations de production prévues au cours de la prochaine décennie”, et que “la production de masse de carbonate de lithium n’est pas écologiquement rationnelle, elle causera des dommages écologiques irréparables aux écosystèmes qui devraient être protégés et que la propulsion au LiIon est incompatible avec la notion de “voiture verte”".

Selon une étude réalisée plus tard en 2011 par le Lawrence Berkeley National Laboratory et l’Université de Californie à Berkeley, les réserves de lithium alors estimées ne devraient pas être un facteur limitant pour la production à grande échelle de batteries pour les véhicules électriques, car on estime qu’un milliard de batteries à base de Li de 40 kWh pourraient être construites avec ces réserves, soit environ 10 kg de lithium par voiture. Une autre étude réalisée en 2011 à l’Université du Michigan et à la Ford Motor Company a trouvé suffisamment de ressources pour soutenir la demande mondiale jusqu’en 2100, y compris le lithium nécessaire à l’utilisation potentielle à grande échelle dans les transports. L'étude a estimé les réserves mondiales à 39 millions de tonnes, et la demande totale de lithium au cours de la période de 90 ans a été annualisée à 12-20 millions de tonnes, selon les scénarios concernant la croissance économique et les taux de recyclage.

En 2014, The Financialist a déclaré que la demande de lithium augmentait de plus de 12 % par an. Selon le Crédit Suisse, ce taux dépassait de 25 % la disponibilité prévue. La publication a comparé la situation du lithium en 2014 à celle du pétrole, selon laquelle “la hausse des prix du pétrole a stimulé l’investissement dans des techniques coûteuses de production en eaux profondes et dans les sables bitumineux”, c’est-à-dire que le prix du lithium continuerait à augmenter jusqu'à ce que des méthodes de production plus coûteuses, susceptibles d’augmenter la production totale, reçoivent l’attention des investisseurs.

Le 16 juillet 2018, 2,5 millions de tonnes de ressources en lithium de haute qualité et 124 millions de livres de ressources en uranium ont été trouvées dans le gisement de roche dure de Falchani dans la région de Puno, au Pérou.

Prix

Après la crise financière de 2007, les principaux fournisseurs, tels que la Sociedad Química y Minera (SQM), ont baissé le prix du carbonate de lithium de 20 %. Les prix ont augmenté en 2012. Un article du Business Week de 2012 a décrit l’oligopole dans l’espace du lithium : “SQM, contrôlée par le milliardaire Julio Ponce, est le deuxième plus grand, suivi de Rockwood, qui est soutenu par KKR & Co. de Henry Kravis, et de FMC, basé à Philadelphie”, Talison étant mentionné comme le plus grand producteur. La consommation mondiale pourrait passer de 150 000 tonnes en 2012 à 300 000 tonnes par an d’ici 2020, pour répondre à la demande de piles au lithium qui augmente d’environ 25 % par an, dépassant les 4 à 5 % de croissance globale de la production de lithium.

Extraction

Le lithium et ses composés ont été historiquement extraits de la roche dure avant que les sels ne soient extraits de l’eau des sources minérales, des bassins de saumure et des gisements de saumure ne deviennent la source dominante dans les années 1990. L’extraction des minerais de lithium était plus coûteuse et avait été exclue du marché, mais en 2018, la roche dure était redevenue un contributeur important. Les cathodes à faible teneur en cobalt pour les piles au lithium devraient nécessiter de l’hydroxyde de lithium plutôt que du carbonate de lithium comme matière première, et cette tendance favorise la roche comme source.

Le lithium est présent dans l’eau de mer, mais des méthodes d’extraction commercialement viables doivent encore être développées.

Une autre source potentielle de lithium est constituée par les lixiviats des puits géothermiques, qui sont transportés à la surface. La récupération du lithium a été démontrée sur le terrain ; le lithium est séparé par simple filtration. Le procédé et les coûts environnementaux sont principalement ceux du puits déjà en exploitation ; les impacts environnementaux nets peuvent donc être positifs.

Utilisation économique

Céramique et verre

L’oxyde de lithium est largement utilisé comme fondant pour le traitement de la silice, ce qui réduit le point de fusion et la viscosité du matériau et permet d’obtenir des émaux aux propriétés physiques améliorées, notamment de faibles coefficients de dilatation thermique. C’est l’une des utilisations les plus importantes des composés de lithium dans le monde. Les émaux contenant des oxydes de lithium sont utilisés pour la fabrication de fours. Le carbonate de lithium (Li2CO3) est généralement utilisé dans cette application car il se transforme en oxyde lors du chauffage. Électricité et électronique

À la fin du XXe siècle, le lithium est devenu un composant important des électrolytes des piles et des électrodes, en raison de son potentiel d'électrode élevé. En raison de sa faible masse atomique, il présente un rapport charge- et puissance-poids élevé. Une batterie lithium-ion typique peut générer environ 3 volts par cellule, contre 2,1 volts pour l’acide de plomb et 1,5 volts pour le zinc-carbone. Les batteries au lithium-ion, qui sont rechargeables et ont une densité énergétique élevée, diffèrent des batteries au lithium, qui sont des batteries jetables (primaires) dont l’anode est constituée de lithium ou de ses composés. Les autres batteries rechargeables qui utilisent du lithium comprennent la batterie lithium-ion polymère, la batterie lithium-phosphate de fer et la batterie nanofilaire.

Graisses lubrifiantes

La troisième utilisation la plus courante du lithium est dans les graisses. L’hydroxyde de lithium est une base forte et, lorsqu’il est chauffé avec une graisse, il produit un savon à base de stéarate de lithium. Le savon de lithium a la capacité d'épaissir les huiles et il est utilisé pour fabriquer des graisses lubrifiantes polyvalentes à haute température. Métallurgie

Le lithium (par exemple sous forme de carbonate de lithium) est utilisé comme additif aux laitiers de fonderie de la coulée continue où il augmente la fluidité, une utilisation qui représente 5 % de l’utilisation mondiale de lithium (2011). Les composés de lithium sont également utilisés comme additifs (fondants) dans le sable de fonderie pour la coulée de la fonte afin de réduire le veinage.

Le lithium (sous forme de fluorure de lithium) est utilisé comme additif dans les fonderies d’aluminium (procédé Hall-Héroult), réduisant la température de fusion et augmentant la résistance électrique, une utilisation qui représente 3 % de la production (2011).

Utilisé comme fondant pour le soudage ou le brasage, le lithium métallique favorise la fusion des métaux pendant le processus et élimine la formation d’oxydes en absorbant les impuretés. Les alliages de ce métal avec l’aluminium, le cadmium, le cuivre et le manganèse sont utilisés pour fabriquer des pièces d’avion de haute performance (voir aussi Alliages lithium-aluminium).

Nano-soudage au silicium

Le lithium s’est avéré efficace pour aider à la perfection des nanosoudures de silicium dans les composants électroniques des batteries électriques et autres appareils. Autres utilisations chimiques et industrielles L’utilisation du lithium dans les fusées éclairantes et la pyrotechnie est due à sa flamme rose-rouge. Pyrotechnie

Les composés de lithium sont utilisés comme colorants et oxydants pyrotechniques dans les feux d’artifice et les fusées éclairantes rouges.

Purification de l’air

Le chlorure et le bromure de lithium sont hygroscopiques et sont utilisés comme déshydratants pour les flux gazeux. L’hydroxyde de lithium et le peroxyde de lithium sont les sels les plus utilisés dans les zones confinées, comme à bord des vaisseaux spatiaux et des sous-marins, pour l'élimination du dioxyde de carbone et la purification de 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 pour son faible poids.

Le peroxyde de lithium (Li2O2) en présence d’humidité réagit non seulement avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate de lithium, mais libère également de l’oxygène. La réaction est la suivante :

2 Li2O2 + 2 CO2 → 2 Li2CO3 + O2.

Certains des composés susmentionnés, ainsi que le perchlorate de lithium, sont utilisés dans les bougies à oxygène qui alimentent les sous-marins en oxygène. Ils peuvent également comprendre de petites quantités de bore, de magnésium, d’aluminium, de silicium, de titane, de manganèse et de fer.

Optique

Le fluorure de lithium, cultivé artificiellement sous forme de cristal, est clair et transparent et souvent utilisé dans l’optique spécialisée pour les applications IR, UV et VUV (UV sous vide). Il possède l’un des plus faibles indices de réfraction et la plus grande plage de transmission dans l’UV profond de la plupart des matériaux courants. Une poudre de fluorure de lithium finement divisée a été utilisée pour la dosimétrie des rayonnements thermoluminescents (DTL) : lorsqu’un échantillon de ce type est exposé à un rayonnement, il accumule des défauts cristallins qui, lorsqu’ils sont chauffés, se résolvent par un dégagement de lumière bleuâtre dont l’intensité est proportionnelle à la dose absorbée, permettant ainsi de quantifier celle-ci. Le fluorure de lithium est parfois utilisé dans les lentilles de focalisation des télescopes.

La forte non-linéarité du niobate de lithium le rend également utile dans les applications d’optique non linéaire. Il est largement utilisé dans les produits de télécommunication tels que les téléphones portables et les modulateurs optiques, pour des composants tels que les cristaux résonnants. Les applications du lithium sont utilisées dans plus de 60 % des téléphones portables.

Chimie organique et des polymères

Les composés organolithiques sont largement utilisés dans la production de polymères et de produits chimiques fins. Dans l’industrie des polymères, qui est le principal consommateur de ces réactifs, les composés alkyl-lithium sont des catalyseurs ou des initiateurs. dans la polymérisation anionique d’oléfines non fonctionnalisées. Pour la production de produits chimiques fins, les composés organolithiens fonctionnent comme des bases fortes et comme des réactifs pour la formation de liaisons carbone-carbone. Les composés organolithiques sont préparés à partir de lithium métal et d’halogénures d’alkyle.

De nombreux autres composés de lithium sont utilisés comme réactifs pour préparer des composés organiques. Parmi les composés les plus populaires, citons l’hydrure de lithium et d’aluminium (LiAlH4), le triéthylborohydrure de lithium, le n-butyllithium et le tert-butyllithium, qui sont couramment utilisés comme bases extrêmement fortes appelées superbases.

Applications militaires

Le lithium métallique et ses hydrures complexes, comme le Li, sont utilisés comme additifs à haute énergie pour les propergols des fusées. L’hydrure de lithium et d’aluminium peut également être utilisé seul comme combustible solide.

Le système de propulsion à énergie chimique stockée des torpilles Mark 50 (SCEPS) utilise un petit réservoir d’hexafluorure de soufre gazeux, qui est pulvérisé sur un bloc de lithium solide. La réaction génère de la chaleur, créant de la vapeur pour propulser la torpille dans un cycle de Rankine fermé.

L’hydrure de lithium contenant du lithium-6 est utilisé dans les armes thermonucléaires, où il sert de combustible pour l'étape de fusion de la bombe.

Nucléaire

Le lithium-6 est apprécié comme matière première pour la production de tritium et comme absorbeur de neutrons dans la fusion nucléaire. Le lithium naturel contient environ 7,5 % de lithium-6 à partir duquel de grandes quantités de lithium-6 ont été produites par séparation isotopique pour être utilisées dans les armes nucléaires. Le lithium-7 a suscité un intérêt pour une utilisation dans les liquides de refroidissement des réacteurs nucléaires.

Le deutéride de lithium était le combustible de fusion de choix dans les premières versions de la bombe à hydrogène. Lorsqu’ils sont bombardés par des neutrons, le 6Li et le 7Li produisent tous deux du tritium - cette réaction, qui n’a pas été entièrement comprise lors des premiers essais des bombes à hydrogène, a été responsable de l’emballement du rendement de l’essai nucléaire de Castle Bravo. Le tritium fusionne avec le deutérium dans une réaction de fusion relativement facile à réaliser. Bien que les détails restent secrets, le deutérium-6 joue apparemment encore un rôle dans les armes nucléaires modernes en tant que matériau de fusion.

Le fluorure de lithium, lorsqu’il est fortement enrichi en isotope 7, forme le constituant de base du mélange de sels fluorés LiF-BeF2 utilisé dans les réacteurs nucléaires à fluorure liquide. Le fluorure de lithium est exceptionnellement stable chimiquement et les mélanges LiF-BeF2 ont de faibles points de fusion. En outre, le 7Li, le Be et le F sont parmi les rares nucléides dont la section de capture des neutrons thermiques est suffisamment faible pour ne pas empoisonner les réactions de fission à l’intérieur d’un réacteur à fission nucléaire.

Dans les centrales de fusion nucléaire conceptualisées (hypothétiques), le lithium sera utilisé pour produire du tritium dans des réacteurs à confinement magnétique utilisant le deutérium et le tritium comme combustible. Le tritium naturel est extrêmement rare et doit être produit synthétiquement en entourant le plasma en réaction d’une “couverture” contenant du lithium où les neutrons de la réaction deutérium-tritium dans le plasma fissionneront le lithium pour produire plus de tritium :

6Li + n → 4He + 3H.

Le lithium est également utilisé comme source de particules alpha, ou noyaux d’hélium. Lorsque le 7Li est bombardé par des protons accélérés, il se forme du 8Be, qui subit une fission pour former deux particules alpha. Cet exploit, appelé à l'époque “fission de l’atome”, était la première réaction nucléaire entièrement réalisée par l’homme. Elle a été produite par Cockroft et Walton en 1932.

En 2013, le Government Accountability Office américain a déclaré qu’une pénurie de lithium-7, essentielle au fonctionnement de 65 réacteurs nucléaires américains sur 100, “mettait en péril leur capacité à continuer à fournir de l'électricité”. Castle Bravo a utilisé pour la première fois le Lithium-7, dans le cadre du projet Shrimp, son premier appareil, qui ne pesait que 10 tonnes, et a généré une contamination nucléaire atmosphérique massive de l’atoll de Bikini. Cela explique peut-être le déclin de l’infrastructure nucléaire américaine. L'équipement nécessaire pour séparer le lithium-6 du lithium-7 est pour l’essentiel un vestige de la guerre froide. Les États-Unis ont fermé la plupart de ces machines en 1963, alors qu’ils disposaient d’un énorme surplus de lithium séparé, consommé pour la plupart au cours du XXe siècle. Le rapport indique qu’il faudra cinq ans et 10 à 12 millions de dollars pour rétablir la capacité de séparer le lithium 6 du lithium 7.

Les réacteurs qui utilisent le lithium-7 chauffent l’eau sous haute pression et transfèrent la chaleur à travers des échangeurs de chaleur qui sont sujets à la corrosion. Les réacteurs utilisent le lithium pour contrer les effets corrosifs de l’acide borique, qui est ajouté à l’eau pour absorber les neutrons en excès.

Médecine

Le lithium est utile dans le traitement des troubles bipolaires. Les sels de lithium peuvent également être utiles pour des diagnostics connexes, tels que le trouble schizo-affectif et la dépression majeure cyclique. La partie active de ces sels est l’ion lithium Li+. Ils peuvent augmenter le risque de développer l’anomalie cardiaque d’Ebstein chez les nourrissons nés de femmes qui prennent du lithium pendant le premier trimestre de la grossesse.

Le lithium a également fait l’objet de recherches en tant que traitement possible des céphalées de groupe.

Biologie

Le lithium est présent à l'état de traces dans de nombreuses plantes, le plancton et les invertébrés, à des concentrations de 69 à 5760 parties par milliard (ppb). Chez les vertébrés, la concentration est légèrement plus faible, et presque tous les tissus et liquides organiques des vertébrés contiennent du lithium à des concentrations allant de 21 à 763 ppb. Les organismes marins ont tendance à bioaccumuler le lithium plus que les organismes terrestres. On ignore si le lithium a un rôle physiologique dans l’un de ces organismes.

Les principales sources alimentaires de lithium sont les céréales et les légumes et, dans certaines régions, l’eau potable en contient également des quantités importantes. L’apport humain varie en fonction du lieu et du régime alimentaire.

Le lithium a été détecté pour la première fois dans des organes humains et des tissus foetaux à la fin du 19ème siècle. Chez l’homme, il n’existe pas de maladies définies de carence en lithium, mais les faibles apports en lithium provenant des réserves d’eau ont été associés à une augmentation des taux de suicides, d’homicides et des taux d’arrestation pour consommation de drogues et autres crimes. Les mécanismes biochimiques d’action du lithium semblent être multifactoriels et sont en corrélation avec les fonctions de plusieurs enzymes, hormones et vitamines, ainsi qu’avec des facteurs de croissance et de transformation.

Sécurité

Le lithium est corrosif et nécessite une manipulation particulière pour éviter le contact avec la peau. Respirer de la poussière de lithium ou des composés de lithium (qui sont souvent alcalins) irrite initialement le nez et la gorge, tandis qu’une exposition plus importante peut provoquer une accumulation de liquide dans les poumons, entraînant un œdème pulmonaire. Le métal lui-même est un danger de manipulation car le contact avec l’humidité produit l’hydroxyde de lithium caustique. Le lithium est stocké en toute sécurité dans des composés non réactifs tels que le naphte. Réglementation

Certaines juridictions limitent la vente des piles au lithium, qui sont la source de lithium la plus facilement disponible pour les consommateurs ordinaires. Le lithium peut être utilisé pour réduire la pseudoéphédrine et l'éphédrine en méthamphétamine selon la méthode de réduction de Birch, qui utilise des solutions de métaux alcalins dissociés dans de l’ammoniac anhydre.

Le transport et l’expédition de certains types de piles au lithium peuvent être interdits à bord de certains types de transport (en particulier les avions) en raison de la capacité de la plupart des types de piles au lithium à se décharger complètement très rapidement lorsqu’elles sont court-circuitées, ce qui entraîne une surchauffe et une explosion possible dans un processus appelé emballement thermique. La plupart des piles au lithium grand public sont dotées d’une protection thermique intégrée contre les surcharges afin d'éviter ce type d’incident, ou sont autrement conçues pour limiter les courants de court-circuit. Les courts-circuits internes dus à un défaut de fabrication ou à des dommages physiques peuvent entraîner un emballement thermique spontané.