Novembre 2015    Imprimer cet article

LE GRAPHITE

Dominic Fragasso
Ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles

Le graphite est l’un des deux minéraux naturels composés uniquement de carbone (C), l’autre étant le diamant. Même si le diamant et le graphite ont la même composition chimique, la disposition de leurs atomes de carbone diffère beaucoup. L’assemblage atomique du diamant est constitué de tétraèdres1 de carbone exceptionnellement solides où chaque atome est relié à quatre autres atomes, ce qui fait du diamant la substance la plus dure qui soit. Par contraste, le graphite est constitué d’anneaux hexagonaux formant de fines couches étroitement superposées et faiblement liées entre elles créant une structure peu résistante.

  

Tableau comparatif des propriétés

Diamant

Graphite

Dur

Mou

Transparent

Opaque

Non conducteur d’électricité

Conducteur d’électricité

Abrasif

Lubrifiant

Propre

Graisseux

Grande valeur

Valeur modérée

Propriétés physiques et utilisations

Le graphite est le seul minéral non métallique conducteur d’électricité. Il possède une conductivité thermique et électrique élevée, une texture graisseuse et une solidité structurale élevée sur l’axe horizontal et faible sur l’axe vertical, ce qui lui confère des propriétés physiques des plus intéressantes. Déjà, les peuples de l’Antiquité avaient appris à s’en servir pour écrire. Le graphite tire son étymologie du mot grec « graphein » qui signifie écrire.

Il est utilisé principalement en métallurgie et dans la fabrication des matériaux réfractaires (creusets, moules, fonderie), notamment en raison de son point de fusion élevé (3 927 oC). Ainsi, il est ajouté à l’acier en fusion pour hausser sa teneur en carbone et satisfaire aux normes de qualité sur la dureté. Il sert également d’enduit dans les fonderies lors du moulage de pièces pour faciliter la séparation de l’objet moulé de son moule lors du refroidissement.

Le graphite est très utilisé dans l’industrie de l’automobile pour la fabrication des garnitures et des segments de freins. En raison de sa texture graisseuse, il sert aussi à la fabrication de lubrifiants performants à une vaste échelle de températures.

Parce qu’il est hautement conducteur d’électricité, le graphite est de plus utilisé dans la fabrication d’électrodes pour les téléphones cellulaires, de diverses pièces informatiques, de piles au zinc-carbone, de balais de moteurs électroniques et, plus récemment, dans la fabrication de batteries au lithium-ion pour les véhicules électriques.

La Chine a récemment commencé la fabrication d’une nouvelle génération de réacteurs nucléaires à lit de boulets « PBR » (Pebble Bed Reactor) selon une technique qui avait été développée en Allemagne. Ces nouveaux réacteurs nucléaires utilisent de l’uranium contenu dans une balle de graphite pyrolitique2 qui agit comme modérateur. Ces réacteurs requièrent 300 tonnes de graphite au démarrage et de 60 à 100 tonnes par année par la suite.

Trois formes naturelles de graphite exploitées

De façon générale, on trouve trois formes de graphite à l’état naturel dans des gisements de diverses origines et les prix de cette ressource sont établis selon ces formes et leur dimension.


        PAILLETTES                     AMORPHE                      DE VEINE            

Le graphite en paillettes, qui représente 49 % de la production mondiale, est un graphite à la cristallisation bien formée et facilement identifiable. Il offre une très grande pureté en carbone (85 % - 99 % C) et commande les meilleures valeurs marchandes.

Le graphite amorphe est une forme de graphite cryptocristallin dont la dimension des cristaux est si fine qu’ils ne sont pas observables à l’œil nu. Il offre une pureté plus faible (60 % - 90 % C) que le graphite en paillettes et commande les valeurs marchandes les moins élevées.

Le graphite de veine se retrouve beaucoup plus rarement dans la nature et il ne représente que 1 % de la production mondiale. La cristallisation qu’on y trouve va de très fins cristaux à de très grosses paillettes pouvant atteindre jusqu’à 1 cm. Il est commercialisé en morceaux (lump). C’est seulement au Sri Lanka qu’il est exploité et il n’existe un prix de marché qu’à cet endroit.

Origine et mode de formation

Il existe quatre modes de formation reconnus produisant chacun une forme de graphite en particulier.

CAM00024.jpg

1- Métamorphique : métamorphisme avancé Graphite en paillettes

2- Métamorphisé,
3- Métasomatique de contact
Graphite amorphe

4- Veine hydrothermale Graphite de veine

Les gisements métamorphiques se forment par concentration et cristallisation du carbone en place dans les roches riches en silice et les roches sédimentaires riches en carbone lors d’une phase de métamorphisme pouvant s’étendre à toute une région. On trouve dans ces gisements le graphite en paillettes. Au Québec, l’orogenèse du Grenville a favorisé la formation de gisements de graphite associés à des gneiss, des quartzites et des schistes sur la Côte-Nord (Lac Knife, Lac Guérêt) ou encore associés à des marbres graphitiques dans la région de Mont-Laurier (Lac-des-Îles) et de Gatineau.

Les gisements métamorphisés se forment par métamorphisme de contact de sédiments riches en matière organique carbonée (bitume, charbon). Les roches associées à ces dépôts sont des quartzites, des schistes, des phyllites et des métagrauwackes. On trouve également dans les gisements de contact les gisements métasomatiques de contact « skarn ». Ceux-ci se développent au contact de roches carbonatées et de roches plutoniques par cristallisation du carbone organique ou par réduction du CO2 initial. On trouve le graphite amorphe dans les gisements de contact.

Les gisements de veines hydrothermales se forment à partir de solutions post-magmatiques riches en CO2. Ils sont généralement associés avec des graphites en paillettes stratoïdes produisant un enrichissement des graphites de veine. Ils peuvent produire des graphites amorphes et en paillettes qui sont généralement très hétérogènes en pureté, en nature et en dimension des cristaux. Parmi ceux-ci, on trouve les gisements de très haute pureté du Sri Lanka. Au Québec, ces gisements sont en Outaouais (anciennes mines Miller et Walker).

Production mondiale, échanges commerciaux et marchés

En 2012, la production mondiale de graphite a été de 1,01 Mt (Roskill). La Chine est de loin le premier producteur avec 710 kt (370 kt de graphite amorphe et 340 kt de graphite en paillettes). Le Sri Lanka est le seul producteur de graphite de veine avec 3,5 kt.

Les autres pays producteurs sont, dans l’ordre : la Corée du Nord (130 kt), le Brésil (75 kt), le Canada (25 kt), l’Inde (15 kt), la Russie (12 kt), le Mexique (8 kt), l’Ukraine (8 kt) et la Norvège (8 kt).

Les échanges commerciaux entre pays suivent une tendance assez constante avec la Chine qui exporte de gros volumes sur les marchés européens, japonais et américains, pays qui ne produisent pratiquement pas de graphite naturel. Les États-Unis s’approvisionnent également au Brésil, au Mexique et au Canada. Le Canada exporte sur les marchés européens la presque totalité de sa production. 

La production actuelle comble une demande qui croît de 5 % à 7 % par an. On prévoit que la demande mondiale pourrait doubler d’ici à 2020 avec l’avènement des nouvelles technologies que sont les batteries au lithium-ion pour les véhicules électriques et pour l’entreposage de l’électricité produite par les panneaux solaires, les réacteurs nucléaires à lits de boulets (PBNR), l’équipement informatique et les téléphones cellulaires.

Jusqu’à tout récemment, c’est le graphite synthétique qui desservait ces marchés très exigeants en termes de pureté et de forme cristalline. Le graphite synthétique est obtenu par pyrolyse (chauffage) d’une matière riche en carbone, souvent le coke de pétrole, suivi d’une graphitisation entre 2 500 °C et 3 000 °C pour produire des cristaux de graphite de forme presque parfaite. La fabrication de graphite synthétique est très coûteuse, mais aussi très polluante.

Dernièrement, des avancées dans les méthodes de purification des graphites naturels ont permis de produire du concentré de graphite en paillettes purifié à un taux de plus de 99,5 % de carbone et à un coût de production très compétitif. Cela laisse croire que l’utilisation du graphite naturel purifié pourrait s’accroître.

Le marché le plus lucratif pour les producteurs de graphite naturel en paillettes de qualité serait surtout celui des batteries au lithium-ion. Pour les producteurs de graphite en veine, c’est le marché des réacteurs nucléaires qui est visé, ce dernier demandant un graphite purifié à un taux de 99,99 % de carbone et ayant une forme cristalline presque parfaite que seul ce type de graphite peut assurer.

Le graphite au Québec

L’exploitation du graphite au Québec a débuté dans les régions de l’Outaouais et des Laurentides par l’ouverture de la mine Miller (Keystone mine) à Grenville-sur-la-Rouge en 1845 et la mine Walker à Buckingham en 1876. La première a été exploitée pendant une trentaine d’années et la seconde est demeurée en exploitation de façon sporadique jusqu’en 1906. À cette époque, Buckingham était surnommée « Graphite City ».

Au début de son exploitation au Québec, le graphite était souvent injustement appelé plombagine, car on croyait qu’il contenait du plomb. C’est cette croyance qui donna le nom de crayon de plomb au crayon à mine de graphite. En fait, le crayon à mine est fabriqué de graphite et d’une certaine proportion d’argile, la proportion d’argile augmentant avec la dureté de la mine.

En 1989, Stratmin a ouvert une mine de graphite et une usine de concentration à Lac-des-Îles au sud de Mont-Laurier avec une exploitation annuelle d’environ 25 000 tonnes. Celle-ci est toujours en activité. Une partie de la production est directement vendue sur les marchés extérieurs (États-Unis, Europe) et l’autre partie est expédiée à une usine située à Terrebonne pour y subir d’autres formes de purification. Stratmin a été achetée par Imerys, une société française spécialisée dans les minéraux industriels.

La mine de Lac-des-Îles est demeurée longtemps la seule mine de graphite au Canada et c’est seulement en 2007 que la société Eagle Graphite a mis en production la mine Black Crystal à Nelson en Colombie-Britannique. Celle-ci produit annuellement environ  4 000 tonnes de concentré de graphite.

On trouve plusieurs indices de graphite dans la province géologique du Grenville, en raison du métamorphisme intense survenu lors de son orogenèse. Les dépôts sont caractérisés par de grosses paillettes présentant des taux de carbone graphitique élevés.

Le prix du graphite a atteint des sommets en 2012 après avoir stagné longtemps avant le tournant du siècle. De 1 750 $ US/tonne en 2012, il est redescendu à 1 300 $ US/tonne en 2014 pour finalement reprendre une tendance haussière. Cette hausse des prix explique l’engouement marqué des sociétés d’exploration pour le graphite québécois.

Au Québec, selon le processus de développement minéral, on recense deux projets ayant atteint l’étape de la mise en valeur. Sur la Côte-Nord, à 30 km au sud-ouest de Fermont, pour le projet du Lac Knife, Focus Graphite a publié une étude de faisabilité en octobre 2014. Selon l’étude, la mine pourrait produire 44 300 tonnes par année de concentré de graphite pendant 25 ans. Au sud du réservoir Manicouagan, le projet du Lac Guérêt de Mason Graphite pourrait produire 50 000 tonnes par année de concentré pendant 22 ans.

On recense également un projet rendu à l’étape de gîte à tonnage évalué. Le projet Mousseau Ouest de Graniz Mondal dans la région de Mont-Laurier pourrait atteindre l’étape de la mise en valeur sous peu. Il y a aussi une multitude de sociétés d’exploration qui s’affairent sur leurs indices de graphite en Outaouais, dans les Laurentides et dans la région de Lanaudière.

Perspective de développement de l’industrie du graphite au Québec

L’annonce à l’été 2014 de la construction d’une usine de batteries au Nevada par le constructeur américain de véhicules électriques Tesla Motor Inc. a moussé les espoirs de plusieurs promoteurs de projets de graphite au Canada. Pourtant, depuis cette annonce, aucune entente d’approvisionnement n’a été divulguée. Plus récemment, en mai 2015, une autre annonce a été faite dans les médias indiquant que le géant américain du graphite, Asbury Carbons, démarrait la construction d’une usine de fabrication de produits de graphite à valeur ajoutée en Caroline du Nord. Ces annonces pourraient laisser entrevoir un intérêt accru des industriels américains pour cette substance au cours de la prochaine décennie. 

Dans un contexte de libre marché, certains pays non producteurs comme le Japon et les États-Unis réussissent à tirer leur épingle du jeu dans l’industrie du graphite. Le Japon a, jusqu’à maintenant, utilisé le graphite synthétique dans la fabrication de batteries électriques. Les États-Unis ont profité de la proximité des mines de graphite amorphe du Mexique pour alimenter leurs usines. Dans un contexte où le graphite naturel pourrait devenir plus compétitif, cette situation risque de changer.

De l’autre côté de l’Atlantique, les pays de l’Union européenne ayant déjà exploité la majeure partie de leurs ressources en graphite dépendent des pays producteurs comme la Chine. Cela les a amenés à inscrire le graphite sur leur liste d’éléments critiques pour l’industrie européenne.

Tout en consolidant le marché actuel, le développement de l’industrie du graphite au Québec pourrait permettre de soutenir l’essor des industries liées à la fabrication de composantes pour batteries électriques et d’électrodes pour l’équipement informatique et les téléphones cellulaires. Le graphite pourrait devenir un intrant de la filière de l’électrification des transports. Plus précisément, la production de batteries électriques requiert du graphite et du lithium. En outre, l’industrie de la production de batteries électriques se jumelle bien à celle des panneaux solaires puisque les batteries sont nécessaires pour emmagasiner l’électricité produite par l’énergie solaire. Les cellules photovoltaïques nécessaires à la fabrication de panneaux solaires exigent un quartz de très haute pureté comme ressource première. Certains gisements et indices de quartz au Québec répondent à cette caractéristique.

Le Québec est aussi un grand producteur d’électricité, qui sert à alimenter les bornes électriques, ainsi que de fer et d’aluminium pour la construction d’automobiles. Ces diverses productions, associées, représentent toutes des éléments créant une filière favorable à l’électrification des transports.

Le développement de l’industrie du graphite au Québec, au-delà du simple fait de posséder cette ressource sur son territoire, est en somme tributaire des industries qui y seraient associées pour en retirer avantages et bénéfices, créant une valeur ajoutée appréciable susceptible de stimuler notre économie.

1. Tétraèdre : polyèdre composé de quatre triangles.
2. Pyrolitique : décomposition chimique d’une substance par chauffage intense en l’absence d’oxygène.

Envoyer cet article
Numéros précédents | Questions et commentaires


© Gouvernement du Québec, 2013