« L’hydrométallurgie est aujourd’hui la seule technologie capable de fermer la boucle des batteries », garantit Alexandre Chagnes, le directeur du laboratoire d’excellence (LabEx) Ressources21 (université de Lorraine) sur le cycle géochimique des métaux stratégiques ainsi que leur traitement minéralurgique et hydrométallurgique. Or, boucler la boucle, l’Union européenne (UE) y compte bien ! Et pour cause : d’ici à 2030, une vague de batteries lithium-ion usagées issues du marché automobile, principalement de type nickel, manganèse, cobalt (NMC), déferlera sur le Vieux Continent.
L’UE planche donc sur une « modernisation » de sa directive sur les batteries. Parmi les propositions les plus audacieuses, la Commission envisage que 95 % du cobalt, du cuivre et du nickel et 70 % du lithium soient « valorisés » d’ici à 2030. L’exécutif européen souhaite qu’à cette même date, 12 % du cobalt et 4 % du lithium et du nickel nécessaires pour fabriquer une cellule soient issus du recyclage (la fameuse boucle fermée). La cathode représente environ 30 % du coût de fabrication total de la batterie, d’après le Réseau de recherche sur les déchets et l’environnement (Record). « Les objectifs européens sont très ambitieux ! », insiste Pascal Muller, le directeur du pôle opérationnel Nord-Est chez Sarpi, filiale de Veolia dédiée à la valorisation des déchets dangereux en Europe.
Du recyclage en boucle ouverte à la boucle fermée
Pour y répondre, une seule option se présente aux industriels : l’hydrométallurgie. Car la pyrométallurgie, qui est le procédé de recyclage dominant aujourd’hui, permet uniquement de valoriser nickel, fer, cobalt et manganèse sous forme d’alliages ou de ferro-alliages, donc pour d’autres usages que la batterie – ce qu’on appelle une boucle ouverte. Lithium et aluminium sont définitivement perdus. « Ce traitement thermique était suffisant lorsqu’on recyclait pêle-mêle batteries au plomb, au métal-hydrure et au lithium-ion », pointe Philippe Barboux, professeur à Chimie ParisTech. C’est-à?dire lorsque la législation européenne imposait simplement de valoriser 50 % du poids moyen des batteries au lithium.
L’hydrométallurgie n’intervient qu’à l’issue de plusieurs opérations préalables, qui requièrent un savoir-faire industriel difficile à maîtriser [voir l’infographie]. Premières épreuves subies par la batterie en fin de vie : décharge profonde, démantèlement, déchiquetage et broyage (à sec ou par voie humide). « Chez Veolia, nous broyons, par voie humide, en ajoutant des additifs chimiques pour extraire les solvants », explique Pascal Muller en se référant à l’unité d’hydrométallurgie de Veolia, en Moselle, qui recycle pour l’instant en boucle ouverte.
L’hydrométallurgie, un processus par voie humide
Viennent ensuite les étapes de récupération de l’électrolyte, de séparation magnétique et par courants de Foucault pour récupérer la majorité du fer et de l’aluminium. Plastiques, liants et graphite sont écartés à l’aide d’opérations mécaniques et thermiques. Une poudre contenant les espèces métalliques à valoriser (nickel, cobalt, lithium, manganèse) est obtenue : la « black mass ».
Enfin, l’hydrométallurgie démarre. Un processus qui, quant à lui, se déroule forcément par voie humide. La première phase consiste à dissoudre la poudre active dans un bain acide (lixiviation). « Vous obtenez un jus, qui contient les métaux d’intérêt, ainsi qu’une fraction insoluble. Chez nous, il s’agit du graphite et de fractions de manganèse », raconte le spécialiste de Veolia.
Une fois le mélange filtré, deux technologies sont répandues, industriellement, pour séparer les matières actives de ce concentré. La première, l’extraction liquide-liquide, consiste à mélanger la solution de lixiviation avec un solvant organique non miscible. « C’est le même principe qu’une vinaigrette », illustre Alexandre Chagnes. Ce solvant contient un extractant qui possède une affinité pour des espèces métalliques en particulier. « Des microgouttelettes vont se créer et contribuer à l’extraction des espèces métalliques de la phase aqueuse vers la phase organique », poursuit le chimiste. L’opération est répétée à l’échelle industrielle dans des mélangeurs-décanteurs, en adaptant les conditions d’extraction (pH, température, débits des phases aqueuses et organiques dans les mélangeurs-décanteurs, solution de désextraction…) en fonction des espèces métalliques à extraire et à séparer.
Mariage de compétences
La seconde méthode, la précipitation, joue sur deux paramètres pour séparer les matériaux : la température et le pH. « En général, un réactif est ajouté pour rendre la solution de moins en moins acide. Si les pH de précipitation sont suffisamment éloignés, il est possible de séparer les espèces métalliques par cette méthode », résume le chercheur.
Une fois les sels métalliques obtenus, ils sont vendus à des fabricants de précurseurs afin de produire de nouvelles cathodes. À une condition : que les sels de nickel, cobalt et lithium issus du recyclage atteignent le seuil de pureté appelé « battery grade ». « Les valeurs des polluants (aluminium, cuivre et fer) contenus dans les sels issus du recyclage doivent être de l’ordre de la partie par million (ppm) », précise Pascal Muller, qui ajoute que Veolia s’est alliée au chimiste Solvay, en mars dernier, dans le but d’atteindre ce niveau de pureté. Renault a également rejoint le partenariat, leur permettant de travailler sur de vrais flux de batteries.
« Il est rare qu’un seul acteur maîtrise l’ensemble des métiers requis. »
Nicolas Verdier, responsable à la direction de la stratégie d’Eramet
Ce type de mariage s’est multiplié ces derniers mois, car « il est rare qu’un seul acteur maîtrise l’ensemble des métiers requis », d’après Nicolas Verdier, le responsable des partenariats à la direction de la stratégie d’Eramet. En mai 2021, cette entreprise minière s’est ainsi associée à Suez afin d’industrialiser leur procédé de recyclage développé dans le cadre d’un projet européen. Deux mois plus tôt, le spécialiste du recyclage American Manganese avait conclu un partenariat avec Itavolt, une start-up italienne qui projette de construire une méga-usine de batteries d’ici à 2024. Précurseurs, le constructeur allemand BMW, le recycleur belge Umicore et le fabricant de batteries suédois Northvolt ont annoncé s’associer dès octobre 2018. Si le défi technologique est de taille, les partenaires devront également être à la hauteur d’un autre gros challenge : réduire les émissions de gaz à effet de serre liées à leur procédé de recyclage qui génère des effluents difficiles à traiter.
