Documentation pour les pros sur le recyclage d'une batterie au lithium

Au cours de ces dernières années, le recyclage de batterie au lithium est devenu un enjeu de plus en plus important à l’échelle mondiale. Avec le développement des voitures électriques (dont les ventes devraient encore croître dans les années à venir), la question de la gestion des batteries au lithium-ion en fin de vie se pose de plus en plus.  

 
En effet, ces accessoires font intervenir des composés toxiques pour la santé et pour l’environnement sans la mise en œuvre de processus adaptés. Afin de généraliser les bonnes méthodes dans ce domaine, il est essentiel de comprendre l’importance de la collecte des batteries usagées, ainsi que les méthodes à mettre en place pour un recyclage de batterie au lithium efficient. 

L’importance du recyclage des batteries lithium-ion 

 
Avec la hausse des ventes de véhicules électriques dans le monde, le recyclage de batterie au lithium est désormais une nécessité. Si les batteries au lithium usagées demandent une collecte dont la gestion est minutieuse, c’est qu’elles représentent aujourd’hui un défi écologique considérable. Leur dégradation entraîne la libération de substances nocives susceptibles de polluer l’eau et les sols. Leur recyclage permet alors d’éviter tout risque de contamination.  

 
Un second objectif est de disposer de métaux recyclés servant à créer de nouvelles batteries, pour répondre à la forte demande mondiale, tout en réduisant les coûts inhérents à l’extraction de ces matières premières (en particulier dans le cas des métaux rares comme le cobalt). 

 
Complexe, le processus de recyclage de batterie au lithium fait intervenir différents procédés, dont les coûts énergétiques et environnementaux varient. Ces techniques permettent également de s’adapter aux caractéristiques des modèles à recycler, l’immense majorité des batteries au lithium sur le marché étant aujourd’hui de deux types : les batteries LFP (lithium-fer-phosphate) et les batteries NMC (nickel-manganèse-cobalt). 

Le détail du processus de recyclage 

 
Le recyclage de batterie au lithium est une opération encore délicate à l’heure actuelle, dans la mesure où tous les processus ne sont pas automatisés et où les différents modèles existants impliquent des approches spécifiques. En raison de l’énergie résiduelle contenue dans les batteries lithium-ion, des risques d’incendie causés par le solvant organique et des risques chimiques dus aux gaz toxiques, il s’agit par ailleurs d’une procédure dangereuse qui demande une rigueur maximale. 

 
Les spécialistes en charge du recyclage vont suivre plusieurs étapes, dites de prétraitement, avant de pouvoir réutiliser les matériaux extraits sur les batteries au lithium hors d’usage. Les éléments collectés vont en premier lieu devoir être triés pour séparer les batteries en fonction de leurs caractéristiques et des matières entrant dans leur composition. Les modèles de grande dimension doivent aussi être déchargés pour récupérer leur énergie résiduelle et éviter tout risque d’accident. 

 
Le démontage des batteries est effectué dans un second temps, pour séparer les pièces métalliques, les matières plastiques et les composants électroniques afin d’optimiser le recyclage. L’étape de l’assainissement permet par la suite de s’assurer qu’aucune substance toxique ne sera jetée dans l’environnement. Pour cela, un traitement cryogénique à très basse température (autour de -200 °C) est préconisé. 

 
Les différents matériaux de l’anode et de la cathode peuvent désormais être libérés, en utilisant notamment des solutions aqueuses. Ils sont finalement séparés et broyés pour aboutir à la création d’une « black mass », une poudre noire contenant du carbone et des oxydes de métaux. Il ne reste plus alors qu’à réaliser le raffinage de cette poudre pour la purifier et récupérer les matériaux réutilisables. 

Les méthodes utilisées pour le recyclage de batterie lithium 

 
Pour mener à bien le recyclage de batterie au lithium, les acteurs de la filière ont recours à un post-traitement à appliquer sur la « black mass » obtenue précédemment, sous la forme d’un raffinage thermique (par pyrométallurgie) ou chimique (par hydrométallurgie).  

 
La technique traditionnelle pour le recyclage des batteries au lithium-ion est la pyrométallurgie. Son principe est simple, puisqu’il consiste à faire fondre la « black mass » à haute température pour générer un alliage métallique réutilisable, tout en éliminant les impuretés. L’extraction et la fusion des métaux par pyrolyse et fonte (jusqu’à 1 475 °C) permet d’isoler le cobalt, le cuivre et le nickel efficacement.  Néanmoins, cette méthode demande beaucoup d’énergie et émet du gaz à effet de serre en grande quantité.  

 
Pour ces raisons, la tendance actuelle est de recourir plutôt à l’hydrométallurgie. Moins énergivore, cette méthode se base sur des réactions chimiques servant à isoler les métaux au sein de la « black mass » pour mieux les récupérer. Considérée comme moins polluante, l’hydrométallurgie demande de dissoudre la poudre noire, puis d’isoler les métaux sous une forme purifiée. La dissolution se fait par lixiviation à 80 °C, avant l’isolation des métaux selon plusieurs procédés (extraction liquide/liquide, précipitation ou électrodéposition).  

 
Une troisième technique, encore en développement, pourrait permettre de simplifier ces processus et donc de réduire le coût de recyclage de batterie au lithium. Il s’agit du recyclage direct des matériaux, permettant d’atteindre une plus grande efficacité pour le traitement des batteries NMC (nickel-manganèse-cobalt). Il consiste à réduire les étapes précédentes en préservant l’intégrité des matériaux. Des traitements thermiques remplacent ici les traitements chimiques pour obtenir des métaux réutilisables. 

 
Ces méthodes évolutives doivent contribuer à améliorer le recyclage des batteries à l’avenir, conformément aux objectifs fixés par le règlement EU 2023/1542. L’Union européenne vise ainsi une récupération de 50 % du lithium contenu dans les batteries usagées pour 2027, et de 80 % en 2031. 

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