Optimiser le recyclage des batteries de véhicules électriques

Les procédés de recyclage des batteries Li-ion usagées sont constitués d’étapes successives permettant de séparer les matériaux récupérables des impuretés. La méthode qui suscite actuellement beaucoup d’intérêt est une combinaison d’une étape de prétraitement thermique avec un processus d’hydrométallurgie. Bien que plusieurs entreprises soient en train de développer cette méthode au niveau industriel, celle-ci demeure encore largement optimisable.

Prétraitement par pyrolyse ou incinération ?

L’étape de prétraitement thermique a pour objectif d’éliminer les composés organiques ainsi que le carbone susceptible d’interférer avec les autres étapes de récupération.

Ce prétraitement thermique peut être réalisé de deux façons : par incinération (en présence d’oxygène) ou par pyrolyse (pas d’oxygène). Néanmoins, si cette étape est nécessaire, elle peut aussi conduire à une perte importante de métaux si les paramètres ne sont pas maîtrisés, ce qui réduit l’intérêt économique du recyclage.

Par ailleurs, la plupart des industriels du recyclage utilisent toujours l’incinération à la place de la pyrolyse et les études qui comparent ces deux techniques sont rares. La pyrolyse semble pourtant être une approche prometteuse, d’après les résultats obtenus par les chercheurs de Chalmers.

Des résultats qui peuvent faciliter fortement le recyclage des batteries

L’étude publiée dans le journal Waste Management avait pour objectif principal de comparer les effets des procédés de pyrolyse et d’incinération sur la récupération des métaux par hydrométallurgie.

Elle a permis de mettre en avant plusieurs points clés :

• L’incinération rend plus difficile la réduction carbothermique des oxydes de Co, Mn et Ni en des formes solubles.
• La pyrolyse, au contraire, permet de contrôler et d’améliorer la réduction, ce qui favorise la lixiviation(1).
• Augmenter la température de la pyrolyse améliore clairement le rendement de la lixiviation, ce qui n’est pas le cas avec l’incinération.
• Une température de pyrolyse de 700°C permet de mettre en solution la totalité de Li, Mn, Co et Ni.
• À 700°C, l’augmentation de la durée de pyrolyse au-delà d’un certain seuil réduit le rendement de lixiviation, dans le cas de Co et Ni(2). La cinétique semble également diminuer.

Réaliser une pyrolyse à 700°C pendant 30 min semble donc être l’idéal. Dans l’étude, les chercheurs indiquent également que dans ces conditions favorables, « la récupération complète par lixiviation à l’acide sulfurique à température ambiante est atteinte après 2 min pour le Li, 5 min pour le Mn et 10 min pour le Co et le Ni. »

L’hydrométallurgie : un procédé utilisable à température ambiante

C’est aussi l’une des principales conclusions de cette étude : le processus hydrométallurgique peut très bien être réalisé à température ambiante. Selon les chercheurs, c’est un phénomène qui n’a jamais été testé auparavant, mais qui a des avantages majeurs du point de vue de la réduction de l’impact environnemental et du coût de recyclage des batteries.

Dans un communiqué de presse, Burçak Ebin (3), l’un des principaux auteurs de l’article, est enthousiaste :

« Nos recherches peuvent faire une énorme différence pour les développeurs dans ce domaine. Dans certains cas, il s’agit de réduire la température de 60 à 80 degrés Celsius à la température ambiante, et de passer de plusieurs heures à seulement 30 minutes ».

1. Processus qui consiste à mettre en solution des métaux, généralement en milieu acide.

2. Le rendement de la lixiviation passe de 100 % à 30 et 60 min, à 70 % en 90 min.

3. Chercheur au Department for Chemistry and Chemical Engineering de Chalmers.