Cet article de blog examine pourquoi les batteries lithium-ion usagées deviennent un élément crucial pour la future maîtrise des ressources. Il explore l'importance stratégique des technologies de recyclage face à la demande croissante de batteries et à la concurrence accrue pour les métaux rares.
L'appareil le plus emblématique de l'ère de l'omniprésence qui s'est pleinement installée dans notre société depuis le début du XXIe siècle est sans conteste l'électronique portable. La prolifération fulgurante de ces appareils a joué un rôle déterminant dans l'augmentation spectaculaire de la demande en batteries lithium-ion (LIB), composants essentiels à la production et au stockage de l'électricité. Bien qu'ayant débuté le développement technologique dans ce domaine plus tardivement que les pays les plus avancés, la Corée du Sud s'est imposée comme un leader mondial grâce à plus de vingt ans d'investissements soutenus en recherche et développement et en industrie. Plus particulièrement depuis les années 2020, les fabricants coréens de batteries ont maintenu une part de marché mondiale de premier plan, parallèlement à la croissance du marché mondial des véhicules électriques, tandis que leurs coûts unitaires de production de batteries se classent au deuxième rang mondial.
Cependant, malgré ces avancées industrielles, l'industrie coréenne des batteries reste entièrement dépendante de l'étranger pour ses métaux rares essentiels tels que le lithium, le cobalt et le nickel. Dans une société moderne où l'électronique portable est devenue indispensable, cette dépendance laisse craindre que les métaux rares, à l'instar du pétrole, ne soient utilisés à des fins militaires. Autrement dit, si l'approvisionnement en matières premières venait à être restreint en raison de la situation politique internationale ou de ruptures des chaînes d'approvisionnement, l'ensemble de l'industrie coréenne des batteries pourrait en subir de graves conséquences. Face à ce contexte, il est essentiel que la Corée du Sud développe une certaine capacité d'autoproduction ou mette en œuvre une stratégie pour sécuriser son approvisionnement en ces matières premières.
Cependant, compte tenu des caractéristiques géologiques de la Corée du Sud, marquées par une pénurie absolue de ressources minérales de base, la méthode la plus réaliste et stratégique pour garantir un approvisionnement stable en métaux rares comme le lithium et le cobalt consiste à promouvoir activement le recyclage des batteries lithium-ion usagées. Ces batteries sont déjà reconnues mondialement comme les plus importantes ressources urbaines, et leur valeur augmente encore plus rapidement, notamment depuis la fin des années 2020 avec la généralisation des véhicules électriques. Cet article examinera donc d'abord la structure et le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion secondaires. Il expliquera ensuite les procédés de recyclage actuellement utilisés, ainsi que le concept et la nécessité de la biolixiviation – une technologie de nouvelle génération qui suscite un intérêt croissant en tant que complément aux procédés chimiques existants.
Les batteries secondaires sont des dispositifs qui stockent l'énergie électrique sous forme d'énergie chimique et la reconvertissent en énergie électrique pour alimenter un appareil lorsque celui-ci en a besoin. Parmi elles, la batterie secondaire lithium-ion, la plus répandue, se compose de quatre éléments clés : la cathode, l'anode, l'électrolyte et le séparateur. Les batteries lithium-ion sont composées d'un mélange de métaux lourds, de matières organiques et de plastiques issus des emballages. Bien que les proportions varient légèrement selon le fabricant ou le type de batterie, elles contiennent généralement environ 5 à 20 % de cobalt, 5 à 7 % de lithium, 5 à 10 % de nickel, 15 % de composés organiques et environ 7 % de plastique. Si différentes compositions, comme le NCM (nickel-cobalt-manganèse), le NCA (nickel-cobalt-aluminium) et le LFP (lithium-fer-phosphate), sont désormais utilisées dans les batteries des véhicules électriques, les batteries à base de cobalt restent largement utilisées dans les appareils portables, ce qui rend l'approvisionnement en cobalt crucial.
La cathode (matériau actif de la cathode) d'une batterie secondaire lithium-ion est constituée d'oxyde de lithium dont la structure lui permet de céder et d'accepter facilement des ions lithium lors des cycles de charge et de décharge. L'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO₂) en est un exemple. Le LiCoO₂ est un composé où le lithium est inséré entre des couches constituées d'un atome de cobalt et de deux atomes d'oxygène. À l'inverse, le graphite est généralement utilisé pour la cathode. Grâce à sa structure lamellaire, les ions lithium s'insèrent entre les couches de graphite lors de la charge, formant un composé d'intercalation lithium-graphite (Li-GIC). Autrement dit, lors de la charge, les ions lithium sont libérés de la cathode et migrent vers les couches de graphite de l'anode, formant du Li-GIC sous la forme de LiC₆. Lors de la décharge, ce processus s'inverse : les ions lithium quittent les couches de graphite et retournent à la cathode, reformant ainsi du LiCoO₂. Ce processus crée une structure cyclique.
Bien entendu, ce processus de charge et de décharge n'est pas permanent. Généralement, après 300 à 500 cycles de charge-décharge, voire plus, la capacité diminue d'environ 80 % par rapport à sa valeur initiale, ce qui constitue l'une des principales raisons du remplacement des batteries. Les batteries lithium-ion sont généralement conçues avec une tension maximale comprise entre 4.1 et 4.2 V, et des solvants organiques sont utilisés comme électrolyte pour garantir un fonctionnement stable, même à des tensions continues élevées. Cet électrolyte contient des substances dissoutes telles que LiClO₄, LiBF₄ et LiPF₆, qui sont hautement toxiques et inflammables, exigeant une extrême prudence lors de leur manipulation. Enfin, un séparateur est installé pour éviter tout contact direct entre l'anode et la cathode. La stabilité thermique et la résistance mécanique de ce séparateur sont des facteurs critiques, ce qui a conduit au développement récent de matériaux toujours plus performants.
Le lithium est généralement hautement inflammable et sa manipulation présente des risques importants pour la sécurité. Par conséquent, sauf dans de rares cas exceptionnels, la collecte manuelle individuelle n'est pas pratiquée. Un processus automatisé est utilisé pour traiter les batteries usagées, permettant la récupération et la réutilisation de métaux précieux comme le lithium et le cobalt. Le recyclage des batteries lithium-ion usagées se divise fondamentalement en procédés physiques et chimiques. Le procédé chimique se subdivise en méthodes par voie humide et par voie sèche. Nous examinerons d'abord les étapes physiques et chimiques de la méthode par voie humide, actuellement étudiée activement dans plusieurs pays, dont la Corée du Sud. Le procédé physique consiste principalement en le démontage et le tri, tandis que le procédé chimique comprend une lixiviation acide pour dissoudre les métaux, suivie de la séparation et de la purification de chaque métal à partir de la solution aqueuse obtenue.
Dans le procédé physique, après le démontage des batteries usagées, des étapes telles que le tri, le broyage et la séparation magnétique sont réalisées afin de récupérer le matériau actif de l'électrode, le LiCoO₂, qui est la cible du recyclage. Ce procédé physique est crucial car la qualité du tri obtenu influe directement et de manière déterminante sur le taux de récupération du métal lors des procédés chimiques ultérieurs. En Corée du Sud, de nombreuses institutions, dont l'Institut coréen des géosciences et des ressources minérales (KIGAM), ont mené des recherches approfondies sur l'optimisation des procédés physiques, et ces technologies sont déjà appliquées dans certaines usines commerciales. Cependant, en raison de l'imbrication complexe des métaux, des composés organiques et inorganiques au sein des batteries lithium-ion usagées, il est difficile de séparer complètement tous les composants par les seuls procédés physiques. Par conséquent, les procédés chimiques ultérieurs jouent un rôle essentiel dans le recyclage des batteries lithium-ion usagées.
Le recyclage du cobalt et du lithium contenus dans les batteries lithium-ion usagées, par lixiviation acide et par voie électrochimique, fait l'objet de recherches constantes depuis les années 1990. Dans les procédés chimiques, la lixiviation acide – qui consiste à dissoudre la matière active de la cathode des batteries usagées à l'aide d'acides forts – est considérée comme l'étape la plus critique. De ce fait, diverses approches visant à optimiser ce procédé ont été proposées, conduisant au développement de multiples méthodes. Différents acides inorganiques, tels que l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique et l'acide nitrique, ont été utilisés comme agents de lixiviation. Initialement, une méthode utilisant l'acide chlorhydrique, offrant la vitesse de lixiviation la plus rapide, a été proposée. Cependant, la production massive de chlore gazeux a soulevé des préoccupations environnementales, ce qui a conduit à son remplacement par des méthodes utilisant l'acide sulfurique ou l'acide nitrique.
Lors du procédé de lixiviation acide à l'aide d'acide sulfurique pur, les métaux se dissolvent dans l'ordre suivant : aluminium > cobalt > lithium >> cuivre. La vitesse de lixiviation du cobalt, en particulier, était excessivement lente, ce qui compromettait la rentabilité du procédé. Pour pallier cette limitation, une méthode combinant une solution d'acide sulfurique avec du peroxyde d'hydrogène comme agent réducteur a été mise au point. L'équation de la réaction de lixiviation du LiCoO₂ lors de l'application de cette méthode est la suivante.
- 2LiCoO₂ + 6H⁺ + H₂O₂ ⇄ 2Co²⁺ + O₂ + 2Li⁺ + 4H₂O
L'utilisation de peroxyde d'hydrogène comme agent réducteur a permis d'accroître les taux de lixiviation du cobalt et du lithium d'environ 45 % et 10 % respectivement. Ce phénomène est attribué à une réduction des ions Co³⁺ insolubles et à une augmentation des ions Co²⁺ solubles. Ces résultats constituent une avancée significative pour l'amélioration des taux de lixiviation et la rentabilité du procédé.
Par ailleurs, au-delà de la méthode traditionnelle d'extraction séparée du lithium et du cobalt, un nouveau procédé suscite un intérêt croissant : la réutilisation directe du matériau actif de cathode LiCoO₂ de haute pureté comme matériau actif d'électrode pour de nouvelles batteries lithium-ion. Cette approche présente un fort potentiel d'avenir grâce à sa capacité à réduire le nombre d'étapes de traitement et à diminuer significativement la consommation d'énergie. Cependant, pour recycler le lithium et le cobalt issus de l'exploitation minière urbaine en vue d'autres applications, une séparation et une extraction adéquates de chaque métal doivent être réalisées lors de la dernière étape du traitement.
Le procédé chimique par voie humide est actuellement le plus répandu au monde, y compris en Corée du Sud, pour la récupération des métaux précieux contenus dans les batteries lithium-ion usagées. Ce procédé repose intrinsèquement sur la lixiviation des matériaux actifs des électrodes à l'aide d'acides inorganiques forts tels que l'acide nitrique et l'acide sulfurique. Par conséquent, l'exploitation des installations engendre des coûts et une consommation énergétique élevés, ainsi que des risques accrus pour la sécurité des équipements et un risque potentiel de pollution environnementale dû au rejet de substances dangereuses. Compte tenu de la situation actuelle, marquée par la croissance continue des appareils électroniques portables et l'avènement de l'ère du véhicule électrique, le volume de batteries usagées à traiter dépassera largement les niveaux actuels. En conséquence, les projections indiquent une augmentation significative des exigences en matière d'évaluation d'impact environnemental et des coûts de traitement associés, un facteur considéré comme une préoccupation de plus en plus sérieuse pour l'avenir de la société. La biolixiviation est le procédé chimique alternatif proposé pour répondre à ces problématiques.
La biolixiviation est une technologie qui exploite le pouvoir catalytique de certaines bactéries, qui oxydent le fer et le soufre pour dissoudre les minéraux sulfurés contenant des métaux lourds. Ce procédé est principalement utilisé pour extraire des métaux tels que le fer, le cuivre, le nickel et le zinc de minerais à faible ou moyenne teneur, stockés dans des aires de stockage ou issus de mines abandonnées. Il a atteint un haut niveau de maturité technique grâce à une longue expérience de commercialisation. Les bactéries utilisées en biolixiviation forment des communautés mixtes de plusieurs espèces et sont principalement classées selon leur température de fonctionnement. Les groupes bactériens actifs entre 30 et 40 °C, température optimale pour le fonctionnement en usine, sont classés comme mésophiles. On peut citer comme exemples des bactéries oxydant le fer telles qu'Acidithiobacillus ferrooxidans et Leptospirillum ferrooxidans, et des bactéries oxydant le soufre telles qu'A. thiooxidans. Ces espèces bactériennes ont également été fréquemment utilisées dans des recherches antérieures sur la lixiviation des matériaux actifs de cathode des batteries lithium-ion usagées.
Cependant, l'application de la biolixiviation au recyclage des batteries lithium-ion usagées n'a pas encore atteint le stade de la commercialisation. Les recherches visant à déterminer les conditions de lixiviation optimales se poursuivent en laboratoire, principalement dans les universités et les instituts de recherche du monde entier. En Corée du Sud, plusieurs équipes de recherche, dont l'Institut coréen des géosciences et des ressources minérales (KIGAM), ont obtenu d'excellents résultats avec les technologies associées. Dans une étude menée par D. Mishra et al., la biolixiviation a été réalisée avec succès sur de la poudre de batteries lithium-ion usagées, dont la granulométrie était inférieure à 150 μm, à un pH initial de 2.5, en utilisant des bactéries ferro-oxydantes principalement employées dans la biolixiviation minière. Cette recherche revêt une importance considérable car elle a démontré pour la première fois la faisabilité de la biolixiviation pour lixivier et récupérer le cobalt et le lithium contenus dans cette poudre. Toutefois, ce procédé présente des défis : la durée de lixiviation est extrêmement longue, dépassant environ 20 jours, et le taux de lixiviation des métaux reste faible, insuffisant pour garantir sa viabilité économique, ce qui souligne la nécessité d'améliorer le procédé.
G. Zeng et al. sont parvenus à réduire considérablement le temps de lixiviation du cobalt à partir de LiCoO₂ et à augmenter significativement le rendement de lixiviation en utilisant les mêmes bactéries oxydant le fer, mais en employant des ions cuivre comme catalyseur. Les chercheurs ont émis l'hypothèse qu'en présence d'ions cuivre, LiCoO₂ subit une réaction d'échange cationique pour former CuCo₂O₄, lequel est ensuite dissous par Fe³⁺, accélérant ainsi la lixiviation du cobalt. Les travaux de Zeng et al. sont considérés comme très importants car ils permettent de rendre économiquement viables les longs délais de traitement et les faibles taux de lixiviation, longtemps considérés comme les principaux inconvénients de la biolixiviation. Néanmoins, même avec le catalyseur au cuivre, la lixiviation du lithium reste lente et les taux de récupération demeurent faibles, ce qui nécessite des recherches supplémentaires pour améliorer ces aspects.
Si la biolixiviation peut être appliquée au recyclage des batteries lithium-ion, elle présente l'avantage de réduire considérablement les coûts par rapport aux procédés chimiques actuels. Comparée à la lixiviation chimique à l'aide d'acides forts, la biolixiviation est supérieure en termes de respect de l'environnement et d'efficacité de recyclage des ressources. Elle consomme également moins d'énergie, permettant ainsi la construction d'installations à faible coût, et peut être mise en œuvre dans des conditions relativement douces. Compte tenu de ces caractéristiques, si la biolixiviation peut être appliquée efficacement au processus de recyclage des batteries lithium-ion usagées grâce à la poursuite des recherches, elle a un fort potentiel pour devenir un procédé de nouvelle génération d'avenir, capable de surmonter tous les inconvénients des méthodes de lixiviation chimique à l'acide actuelles.
Compte tenu de la demande potentielle explosive, du raccourcissement des cycles de remplacement et de la nécessité de garantir une capacité de production nationale pour les ressources stratégiques, les batteries lithium-ion usagées devraient rester la ressource urbaine la plus critique, non seulement actuellement, mais aussi dans un avenir proche. Cet article examine la structure et les principes de fonctionnement des batteries lithium-ion, étudie les procédés de régénération et de recyclage des batteries lithium-ion usagées et présente la biolixiviation comme une méthode novatrice pouvant compléter les procédés de recyclage chimique existants. Les batteries lithium-ion deviendront assurément la principale source d'énergie pour les futurs appareils portables et les transports individuels tels que les véhicules électriques. Par conséquent, les prix des matières premières, dont le lithium, suivent actuellement une trajectoire ascendante exponentielle. Du point de vue de la Corée du Sud, qui dépend entièrement des importations pour ces ressources, il est nécessaire de répondre à la demande croissante, de sécuriser les ressources nationales grâce au recyclage des batteries lithium-ion usagées, dont le volume augmentera rapidement à l'avenir, et de mettre en œuvre simultanément des stratégies pour la récupération et la réutilisation sûres des batteries abandonnées. En particulier, le développement de technologies de recyclage écoénergétiques et respectueuses de l'environnement pour les batteries lithium-ion usagées apparaît comme une tâche urgente. De plus, si la Corée du Sud parvient à développer des méthodes de biolixiviation — qui nécessitent relativement moins d'énergie — dans le domaine du recyclage des batteries lithium-ion usagées, elle pourrait devenir une puissance industrielle et un pays riche en ressources, rivalisant avec les pays producteurs de métaux rares.
