Au cours des dix dernières années, le recyclage des batteries a été promu comme la pierre angulaire de la transition énergétique. Les gouvernements ont investi massivement, les sociétés minières se sont jointes à cet espace, et plusieurs entreprises en démarrage ont promis un « système en boucle fermée » dans lequel les batteries en fin de vie seraient transformées directement en lithium, nickel, cobalt et graphite pour batteries. Toutefois, après l’effondrement d’un grand projet de recyclage en 2025 et un ralentissement général dans le secteur, une question difficile mais nécessaire se pose : pourquoi la promesse du recyclage des batteries en minerais pour batteries n’a pas réussi à se matérialiser ?

La réponse ne réside pas dans le sentiment du marché, mais dans l’étude de procédé. Les matériaux utilisés ne sont pas de simples matières premières. Ils sont le résultat d’une longue chaîne de transformations chimiques et physiques, et la plupart des méthodes de recyclage ont sous-estimé la complexité de l’inversion de cette chaîne.

Une batterie lithium-ion moderne est construite à partir de matériaux qui ont été raffinés, purifiés, synthétisés et structurellement organisés à travers plusieurs étapes industrielles. Imaginez le parcours d’un matériau de cathode classique : extraction minière et concentration, affinage en minéraux ou métaux très purs, conversion en sels chimiques (du sulfate de nickel ou de l’hydroxyde de lithium par exemple), synthèse des matériaux précurseurs avec une stœchiométrie contrôlée, fabrication de cathodes avec une morphologie de particule précise, assemblage des cellules, formation et vieillissement.

Chaque étape ajoute des caractéristiques de pureté, de structure et de performance. Lorsque le matériau devient propice à une utilisation pour batterie, il ne s’agit plus d’un simple produit chimique, mais désormais d’un produit très sophistiqué avec des limites strictes d’impureté et des propriétés physiques contrôlées. Les processus de recyclage des batteries cherchent souvent à contourner cette chaîne.

La plupart des opérations de recyclage des batteries commencent par du broyat noir, un mélange provenant de la destruction des batteries. Le broyat noir contient généralement du nickel-manganèse-cobalt (NMC), du lithium-fer-phosphate (LFP), de l’oxyde de lithium et de cobalt ainsi que d’autres composants chimiques tels que du graphite, des résidus d’électrolyte et de l’aluminium, du cuivre, du plastique, des liants et des composés fluorés.

Ces matières premières hétérogènes sont ensuite envoyées dans des circuits hydrométallurgiques qui tentent d’extraire le lithium, le nickel, le cobalt et le manganèse en un seul procédé intégré.

La difficulté est évidente pour les métallurgistes. Les matières premières mélangées produisent un mélange d’impuretés, et aucune purification en aval ne peut totalement compenser la variabilité en amont.

Le résultat est que les produits recyclés ne répondent souvent plus aux spécifications qui conviennent aux batteries, pas parce que le recyclage de batteries est impossible, mais en raison du mauvais alignement fondamental du procédé avec la manière dont sont initialement produits les matériaux pour batteries.

Les matériaux pour batteries exigent des degrés de pureté supérieurs à 99,5 %, un contrôle strict des impuretés en trace (souvent à l’échelle des parties par million), une stœchiométrie précise, une composition granulométrique et une morphologie contrôlées, ainsi qu’une composition chimique cohérente dans tous les lots.

Les matériaux recyclés ont du mal à remplir toutes ces conditions, pour plusieurs raisons :
• Le mélange de compositions chimiques introduit des éléments incompatibles (par exemple, du fer provenant de cathodes LFP qui contamine des éléments de NMC) ;
• Des résidus d’électrolyte (par exemple, du LiPF6) introduisent des impuretés de fluorine et de phosphore extrêmement difficiles à éliminer à des niveaux qui conviennent aux batteries ;
• La contamination par broyage ajoute de l’aluminium, du cuivre, du plastique et des composants fluorés dérivés des liants ; et
• Les circuits hydrométallurgiques ne peuvent pas reproduire la synthèse ou la fabrication des cathodes, qui exige une co-précipitation contrôlée, le contrôle de la morphologie et le développement de la structure des cristaux.

En pratique, de nombreuses méthodes de recyclage de batteries produisaient des produits intermédiaires tels que des solutions de sulfate brut ou des précipités d’hydroxyde mixte, qui exigeaient un affinage supplémentaire par des producteurs de composants chimiques établis. La situation économique a rapidement dégénéré lorsque les sociétés se sont rendu compte qu’elles ne pouvaient pas vendre les matériaux pour batteries directement.

Trier les batteries en fonction de leur composition chimique avant le broyage permet d’améliorer la qualité du recyclage, mais ne résout pas les problèmes fondamentaux de pureté et de structures. Les résidus d’électrolyte, les rubans métalliques, les liants et la nature technique des matériaux pour batteries empêchent encore les produits recyclés de répondre aux spécifications de qualité pour batteries.

Le recyclage des batteries reste essentiel, mais l’industrie doit s’éloigner du battage médiatique et se rapprocher de la réalité technique. Un modèle plus viable comporte notamment :

1. Le recyclage en produits intermédiaires pour d’autres industries. Les métaux recyclés peuvent être utilisés dans des exploitations métallurgiques, pour la production d’alliages, la céramique, des catalyseurs et des produits intermédiaires. Ceci permet de contourner les exigences en matière de pureté et de morphologie des matériaux pour batteries.

2. La standardisation et le prétraitement des matières premières. Les fabricants d’équipement d’origine (FEO) et les entreprises de recyclage des batteries doivent collaborer pour trier les éléments chimiques, éliminer les polluants et stabiliser la qualité des matières premières avant le traitement hydrométallurgique.

3. L’intégration à des entreprises de raffinage chimique existantes. Plutôt que d’essayer de produire des matériaux pour batteries en une seule étape, les entreprises de recyclage peuvent fournir les produits chimiques intermédiaires à des entreprises de raffinage établies qui opèrent déjà aux niveaux de pureté exigés.

4. Reconnaître que le recyclage « des batteries en minerais pour batteries » n’est pas un procédé unique, mais bien une chaîne industrielle en plusieurs étapes qui doit être considérée comme telle.

Le recyclage de batteries n’a pas échoué parce que le concept est défectueux. Il a rencontré des difficultés parce que l’industrie a sous-estimé la complexité de la production de matériaux pour batteries. Les composantes de batteries sont le produit d’une longue séquence de transformations chimiques et physiques, et l’inversion de cette séquence exige plus qu’un simple circuit hydrométallurgique.

Une voie réaliste consiste à admettre que le recyclage de batteries jouera un rôle critique dans la transition vers une énergie propre, mais pas en court-circuitant la chaîne d’approvisionnement. Au contraire, la réussite découlera de l’intégration du recyclage à l’écosystème plus vaste des matériaux, la production de produits intermédiaires le cas échéant, et l’alignement des processus sur la véritable nature des matériaux pour batteries. Compte tenu de l’intérêt croissant à l’égard du recyclage des éléments des terres rares, qui prend de l’ampleur sur le plan des investissements et de la politique, nous pouvons nous appuyer sur les enseignements tirés des matériaux pour batteries et définir une voie plus stable et techniquement viable.

L’innovation dans ces domaines se poursuivra, mais seulement si elle s’appuie sur les fondements de l’étude de procédé.

Manochehr Oliazadeh est directeur technique des études sur les mines, la minéralurgie et les métaux à Worley Canada.

Traduit par Karen Rolland