Lixiviation hydrothermale de matériaux de cathodes pour le recyclage de batteries

La projection de production de véhicules électriques est de l’ordre de 900 millions d’ici 2048. En raison de leur durée de vie, et de leur tension de fonctionnement élevée, les batteries Lithium-ion sont largement utilisées et des flux massifs de batteries en fin de vie seront ainsi générés. Dans ce contexte, le règlement européen relatif au recyclage des batteries impose de nouvelles exigences concernant l’ensemble du cycle de vie des batteries lithium-ion, de l’extraction des matières premières jusqu’au recyclage et à la réutilisation. Il impose le recyclage d’au moins 70% des matériaux contenus dans les batteries avec des seuils de métaux recyclés en Li, Ni et Co entre 10 et 20% dès 2035, ceci afin d’économiser les ressources en métaux et de protéger l’environnement. Les rebuts de production, représentant entre 10 et 40% de la capacité de production, sont une source d’alimentation pour les unités de recyclage.

Une batterie est constituée de quatre éléments principaux : une cathode, une anode, un liant polymérique et un électrolyte. Du fait de l’absence de standardisation relative à la conception des packs de batteries, le recyclage des batteries Li-ion est une opération délicate et potentiellement dangereuse du fait de risques électriques (en raison de l’énergie résiduelle présente), chimique (du fait de la production de gaz toxiques tels que HF) d’emballement thermique. Les procédés de recyclage existants combinent des étapes de stabilisation (phase de déchargement), de prétraitement mécanique puis de pyro et d’hydrométallurgie. Cependant, ces voies nécessitent la mise en œuvre de procédés nécessitant des flux d’énergie élevés ou de volumes importants d’acides minéraux.

Cette thèse de doctorat va étudier un procédé de recyclage en voie hydrothermale, novateur et environnementalement sobre, d’électrodes de batteries en fin de vie, avec pour objectif de récupérer sélectivement les métaux d’intérêt.La technique d’extraction en milieu eau sub-critique, solvant non toxique, entre 150 et 300°C, en présence ou non d’un oxydant ou d’un réducteur est une alternative intéressante à la lixiviation acide mettant en œuvre des acides inorganiques (HCl, H2SO4 ou HNO3) potentiellement nocifs pour l’environnement ou des acides organiques (citrique, malique, lactique) couteux. Des rendements de lixiviation en Li ; Co ; Ni ou Mn compris entre 80 et 100% sont généralement obtenus, avec la récupération non sélective de ces métaux valorisables. Par ailleurs, la dégradation du liant présent dans les scraps de batterie, génère la formation d’acide (HF ou HCl).