Stratégies d'extraction et de récupération des métaux pour le recyclage des batteries Li-ion

L'électrification des usages jouera un rôle clé dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Pour la mobilité, les batteries Li-ion sont aujourd'hui considérées comme un moyen essentiel de stockage de l'énergie électrique. Pour faire face à des enjeux environnementaux, éthiques et stratégiques, l'Union Européenne a voté en 2023 le Réglement relatif aux batteries et aux déchets de batterie. Celui-ci établit des objectifs contraignants en termes d'efficacité de recyclage et de récupération de métaux spécifiques à forte valeur ajoutée pour les années à venir. L'association de procédés mécaniques et de traitement de la black mass (BM : fraction intermédiaire concentrant les matières actives de la batterie) par hydrométallurgie est une approche prometteuse pour le recyclage qui combine maturité technologique et taux de valorisation des métaux élevés. Toutefois, les procédés hydrométallurgiques industrialisés actuellement pour la chimie NMC ont recours à l'extraction liquide-liquide en milieu sulfate et à la récupération de sels métalliques de sulfate en vue de la refabrication de matière active de cathode. Cette approche largement répandue génère de grandes quantités de déchets sous forme de sulfate de sodium, posant des problèmes environnementaux et économiques. La précipitation sélective est une voie prometteuse permettant d'envisager la récupération de sels monométalliques en limitant la quantité de déchets générés. La récupération du lithium peut également être optimisée en mettant en place une stratégie de lixiviation séquentielle des métaux comme alternative à la dissolution collective avec des acides minéraux forts. Deux approches de lixiviation des métaux de la BM ont été étudiées dans ce manuscrit. La première approche fait partie intégrante d'un procédé développé par la start-up Mecaware visant à réduire la quantité de déchets soufrés en précipitant de manière séquentielle des sels métalliques de carbonate. Ainsi, ce chapitre discute d'une part de la lixiviation sélective du lithium contenu dans la BM par oxydation à l'aide de persulfate assistée par mécanochimie. D'autre part, la lixiviation du cobalt et du nickel par complexation des métaux par l'ammoniac, en utilisant le sulfite comme réducteur, a ensuite été réalisée. Une caractérisation approfondie du lixiviat obtenu a permis d'identifier de multiples réactions dans lesquelles le sulfite est impliqué, notamment en tant que ligand du cobalt dissout. La deuxième approche de lixiviation étudiée vise à totalement supprimer la génération de sulfate de sodium en utilisant notamment l'acide formique, qui peut être produit par hydrogénation du CO2, comme agent lixiviant permettant la récupération sélective du lithium en milieu concentré. Une étape de déshydrogénation du formate en carbonate, catalysée par Pd/C, permet par la suite de purifier la solution riche en lithium et de récupérer le carbonate de lithium sous forme solide par précipitation sans ajout de réactifs chimiques. La lixiviation du nickel, du cobalt et du manganèse est réalisée en utilisant l'éthylenediamine, comme agent complexant. La carbonatation du manganèse ensuite permet sa récupération sélective. Enfin, la faisabilité de la récupération séquentielle du nickel et du cobalt par stripping des ligands en milieu acide est démontrée. Cette étude a également permis d'évaluer la performance du traitement mécanique de différents types de déchets de batteries (réalisé sur la ligne pilote de l'entreprise MTB Recycling) en termes de taux de récupération des métaux. Une attention particulière a été portée sur l'impact de la profondeur de décharge des cellules sur la répartition du cuivre issu du collecteur de courant dans les sorties du procédé. A partir de ces résultats, une réévalutation des objectifs de récupération des métaux par voie hydrométallurgique a été proposée afin de se conformer au Réglement européen en prenant en compte les performances du prétraitement mécanique effectué en amont.