Lorsqu’elle a appris qu’elle avait remporté le prix Change décerné par l’Institut européen d’innovation et de technologie (EIT), la Française Anna Vanderbruggen, doctorante à l’Institut Helmholtz de Freiberg pour les ressources technologiques et consultante pour l’industrie du recyclage des batteries au sein de la start-up allemande Erzlabor a ressenti « une énorme surprise ». Pourtant le procédé pour lequel elle a été récompensée et qui permet d’extraire le graphite de la « black mass », la poudre issue du broyage des batteries lithium-ion lors de leur recyclage, est particulièrement prometteur.
Un matériau laissé de côté
La doctorante a eu l’idée de s’intéresser au graphite pendant son master, lorsqu’elle s’est aperçue qu’il était laissé de côté dans les procédés actuels de recyclage. « La black mass est un mélange de graphite et de métaux tels que le cobalt, le lithium, le manganèse ou le nickel. Pour récupérer ces métaux, il existe deux méthodes : soit on brûle la black mass pour récupérer les métaux d’intérêt par pyrométallurgie - dans ce cas le graphite est transformé en CO2 - soit on utilise le procédé d'hydrométallurgie, qui consiste à la plonger dans des bains d’acide. Ces bains permettent de dissoudre et récupérer les métaux ainsi que le graphite, mais dans une forme dégradée pour ce dernier », raconte Anna Vanderbruggen.
Mélanger la black mass avec de l'eau
La technologie qu’elle a développée consiste à prendre cette black mass et à la mélanger avec de l’eau, à laquelle on a ajouté des réactifs. « La magie se fait lorsque par la suite on injecte de l’air dans ce mélange, explique-t-elle. Le graphite, hydrophobe, s’attache aux bulles d’air et remonte à la surface, alors que les métaux, hydrophiles, restent dans l’eau ». Il ne reste plus qu’à récupérer le graphite, qui n’a subi aucune altération et peut être réutilisé. Cette technologie, appelée flottation, est « déjà beaucoup utilisée dans l’industrie minière », précise-t-elle, mais n’avait jamais été appliquée en industrie pour le recyclage de la black mass.
Une nouvelle réglementation sur le recyclage des batteries
La raison ? Jusqu’à récemment, le graphite ne faisait pas l’objet d’un intérêt particulier, alors qu'il représente entre 15 et 25% du poids d'une batterie au lithium. Mais la nouvelle réglementation européenne renforçant les exigences en termes de recyclage des batteries a changé la donne. Par ailleurs, avec l’augmentation de la demande en batteries lithium-ion, notamment pour la mobilité électrique, la demande en graphite explose.
« Or le graphite naturel, extrait du sol sous forme de paillettes, provient à 60% de Chine. Le pays possède aussi le quasi-monopole de la transformation de ces paillettes en graphite sphérique utilisable pour les batteries », souligne la spécialiste, qui ajoute : « il existe également du graphite synthétique produit artificiellement, mais le procédé de graphitisation pour transformer le carbone en graphite implique des fours chauffant à 3000 degrés Celsius, avec un impact sur l’environnement et un coût énergétique non négligeable ».
Enfin, l'Europe importe actuellement 98% du graphite dont elle a besoin, et ne dispose d'aucun processus de recyclage du graphite contenu dans les batteries usagées. La solution développée par Anna Vanderbruggen pourrait donc contribuer à diminuer la dépendance de l'Europe au graphite importé.
Des batteries avec du graphite 100% recyclé
Avec le graphite récupéré grâce à ce nouveau procédé, Anna Vanderbruggen et son équipe ont été capables de fabriquer des batteries contenant 100% de graphite recyclé. « Mais dans l’industrie, l’idée est de faire un mélange avec, par exemple, 10% de graphite recyclé, et le reste en non-recyclé. Ce qui permet de diluer le graphite recyclé sans faire peur aux fabricants », indique-t-elle. Pour l’instant, la technologie n’a été testée qu’en laboratoire, mais Anna Vanderbruggen espère passer à l’échelle pilote en 2023. « Mais je ne suis pas inquiète : je sais que cela va fonctionner », conclut-elle.
