Cobalt, nickel, lithium et manganèse… Ces matériaux actifs de cathodes de batteries lithium-ion peuvent être récupérés par un nouveau procédé solvothermal qui se revendique moins agressif et plus économique que les procédés conventionnels de recyclage. Développée par le Groupe de Physique des Matériaux (GPM) de l’Université de Rouen, en collaboration avec le Laboratoire caennais de Cristallographie et Sciences des Matériaux, cette solution traite actuellement, à l’échelle du laboratoire, des cathodes LCO (dioxyde de cobalt et de lithium) et NMC (oxydes de lithium-cobalt-manganèse-nickel). Depuis janvier, le laboratoire étudie le passage de la solution à l’échelle industrielle pour traiter des rebuts de production et de la black mass, poudre issue du broyage de cellules en fin de vie.
« Si aujourd’hui l’intégralité des voitures étaient électriques, les besoins en cobalt et en lithium augmenteraient respectivement de 2 000 et 3 000 % », lance Virginie Nachbaur, Maître de conférences et directrice de recherche au GPM. Cette perspective soulève des enjeux cruciaux tant au niveau de l’épuisement des ressources qu’à la gestion et au traitement des déchets de batteries, mettant ainsi en lumière l'impératif de développer des méthodes de recyclage universelles, c’est-à-dire adaptées à la diversité des compositions chimiques des batteries. « Le marché est en perpétuel mouvement, on passe de la LCO à la NMC en France, puis on voit l’arrivée massive de batteries LFP (phosphate de fer lithié) de l’Asie, donc on va se retrouver rapidement avec un mélange de chimies à traiter », avance-t-elle.
Des solutions de recyclage existent, les plus avancées étant celles fondées sur l’hydrométallurgie, mais celles-ci se caractérisent par une consommation de solvants importante et la production de sous-déchets nécessitant eux-mêmes un traitement. « En hydrométallurgie, on utilise différents solvants et de l'acide sulfurique pour précipiter le lithium. Pour pouvoir le récupérer, il faut mettre du carbonate de sodium qui va se retrouver en fin de chaîne sous forme de sulfate de sodium qu’on doit traiter. Or, ce déchet, on a du mal à le valoriser sur le marché », pointe Virginie Nachbaur.
Une solution brevetée en 2019
Cette réalité incite à rechercher des alternatives plus efficaces et respectueuses de l'environnement. Dans cette perspective, le laboratoire GPM a développé un procédé novateur permettant la séparation et la récupération des éléments constitutifs des batteries, sous forme de poudres d'alliages ou de sels. Cette méthode, réalisée sous pression et à relativement basse température, s'appuie sur l'utilisation d'un solvant organique réutilisable à travers plusieurs cycles sans perdre de son efficacité. « Cette solution fonctionne sur les différents composés pour des cathodes existantes, à savoir LCO, NMC, LMO (oxyde de manganèse-lithium), NCA (oxydes de lithium-nickel-cobalt-aluminium) », ajoute-t-elle.
Ce travail de recherche, inscrit dans les projets NeoBATT et RECYLION, a abouti au dépôt d'un brevet sous la gestion de Normandie Valorisation en 2019. Il est désormais prolongé dans le cadre du projet « Action », avec l’institut Carnot ESP en vue de concrétiser le passage du procédé à une échelle industrielle d'ici 2027.
Des performances éprouvées au laboratoire
Le coeur du procédé consiste à faire réagir à 200°C un mélange combinant la poudre de cathodes, un solvant réducteur, l'éthylène glycol, et des ions carbonate sous forme de sels de potassium ou de sodium.
À l'issue de ce traitement, le cobalt et le nickel se retrouvent sous forme métallique, tandis que le lithium et le manganèse adoptent la forme de carbonates aisément séparables grâce à leur différence de solubilité dans l'eau. Une séparation magnétique permet ensuite d’isoler l’alliage Ni–Co (nickel cobalt) du manganèse (MnCO3). « L'alliage nickel-cobalt est attiré par un aimant, seul le carbonate de manganèse va rester en suspension », précise l'enseignante-chercheuse. Le liquide résiduel renfermant une partie du lithium et des ions carbonates, solubilisés dans le solvant, peut être réutilisé pour de nouveaux cycles de recyclage de composées de cathodes positives.
Testé sur des cellules LCO, les puretés obtenues sont comprises entre « 90,5 et 97 % » pour le carbonate de lithium et entre « 96,7 et 99,9 % » pour le cobalt. Dans le cas des NMC, les puretés de carbonate de lithium, de manganèse et de nickel sont respectivement de « 94,4 %, 95,2 % et 91 % ».
Passage au test industriel
Actuellement à une échelle TRL 4, ce procédé sera soumis à partir de septembre prochain à des expérimentations à plus grande échelle dans le cadre du projet « Action ». Au cours des quatre prochaines années, les chercheurs sélectionnés par le GPM vont tester ce procédé sur des rebuts de production, « qui contiennent non seulement de la poudre de cathodes, mais également le liant, et le carbone conducteur, ce qui complexifie le traitement », note Virginie Nachbaur. Ce protocole sera également expérimenté sur de la black masse d'industriels.
Par ailleurs, le GPM explore des solutions de régénération des batteries de type LFP. Dans leur composition, ces batteries ne contiennent ni cobalt, ni nickel, et possèdent une minuscule quantité de lithium, « ce qui interroge la rentabilité du recyclage pour ces composés », commente-t-elle. Au lieu de les broyer en black mass pour les recycler, « le laboratoire privilégie la voie de la réparation des cathodes et la régénération des électrodes positives », glisse-t-elle. Un projet qui est en cours de gestation.
