Le lithium et ses mécanismes réactionnels de la source au puits : état de l'art et modélisation géochimique

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

• l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
• la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Le lithium et ses mécanismes réactionnels de la source au puits : état de l’art et modélisation géochimique

Le lithium (Li) est un métal solide et léger ayant un potentiel électrochimique élevé. Élément incontournable des transitions numérique et énergétique, sa demande devrait être multipliée par 42 d’ici 2040 selon l’Agence Internationale de l’Energie. De plus, les réserves connues de Li sont principalement concentrées dans trois pays (Chili, Argentine et Australie). Il est donc nécessaire d’identifier de nouveaux gisements lithinifères et de mieux comprendre leur genèse afin de répondre aux enjeux économiques et climatiques actuels.

Le Li est présent naturellement dans différents types d’environnements, dans certains cas, en quantités non négligeables. Il tient son origine primaire dans les magmas à haut degré de différentiation et est distribué entre les roches plutoniques en subsurface (ex., pegmatite, granite), les dépôts volcaniques en surface (ex., ignimbrite, tuf) et les phases volatiles. Ce Li primaire peut être lixivié par la circulation de fluides de basse température ou hydrothermaux.

Lors de cette phase de lixiviation, le partitionnement du Li entre les phases solides primaires, les phases minérales issues de l’altération (phases secondaires) et le fluide dépend de nombreux facteurs tels que la température des interactions fluide-roche, la typologie des fluides, la teneur primaire en Li, les porteurs minéralogiques du Li, ou encore la position structurelle du Li.  Par ailleurs, la présence de facies riches en argiles magnésiennes peut piéger le Li(aq) via des réactions de substitution dans les couches octaédriques des argiles et d’échange ionique dans l’espace interfoliaire des argiles.

Par ce fait, les mécanismes réactionnels jouent un rôle prépondérant dans la genèse des gisements lithinifères. Cependant, beaucoup d’interrogations subsistent sur ces mécanismes et pouvoir caractériser et modéliser les réactions géochimiques remobilisant et consommant le Li, ainsi que les cinétiques réactionnelles associées, constituent donc des étapes-clés à la compréhension de son cycle chimique.

Programme du stage

Ce stage a donc pour objectif de :

• Réaliser un état de l’art sur les mécanismes réactionnels partitionnant le Li entre phases solides primaires, phases solides secondaires et le fluide et les paramètres régissant ces mécanismes.
• Enrichir les bases de données thermodynamiques et cinétiques avec des données sur les minéraux d’intérêt (ex., spodumène, mica lithinifère, hectorite) disponibles dans la littérature afin de pouvoir paramétriser les modèles numériques.
• Réaliser une série de calculs d’équilibres thermodynamiques et cinétiques représentative des familles de réactions étudiées dans la tâche 1, dès lors que les données sont disponibles, avec le calculateur géochimique ArximCpp. L’étude de ces réactions permettra de mieux comprendre et appréhender leur comportement en fonction de l’évolution de divers paramètres physico-chimiques (ex., pression, température, salinité, pH, etc.).

Ce stage permettra à IFPEN de lever des verrous scientifiques nécessaire à la modélisation du cycle chimique du lithium en modélisation de bassin, d’une part, et de nourrir la thèse intitulée « An evolutive basin-scale RT model for depicting the genesis of lithium-rich brines » débutant en 2025, d’autre part.