Selon la technique de recyclage employée, les produits issus de ces procédés peuvent nécessiter un raffinage ou un traitement supplémentaire pour permettre leur réintégration dans la fabrication de nouvelles batteries. Dans son dernier rapport, « Marché du recyclage des batteries lithium-ion 2023-2043 », IDTechEx présente et analyse trois technologies de recyclage clés utilisées par les acteurs du secteur : le recyclage mécanique, hydrométallurgique et pyrométallurgique.

Recyclage mécanique
: Le traitement mécanique est la technique la plus simple, employée par de nombreux acteurs dans le monde entier, et constitue souvent la première étape du recyclage des batteries lithium-ion. Il débute généralement par une phase de démontage, réalisée manuellement en raison des différences de conception des batteries de véhicules électriques et nécessitant une main-d’œuvre qualifiée. Les étapes suivantes comprennent généralement le broyage, le concassage et le concassage. Ces opérations permettent de séparer les matériaux de grande valeur des feuilles et du boîtier, et sont effectuées sous atmosphère inerte. Le tamisage est souvent utilisé pour séparer les fragments plus importants de collecteurs de courant, de boîtiers et de séparateurs des matériaux d’électrode, composés de poudres très fines. On obtient ainsi une masse noire, qui nécessite un raffinage supplémentaire par traitement hydrométallurgique ou pyrométallurgique pour produire des sels métalliques adaptés à la fabrication de batteries. Actuellement, la plupart des opérateurs en Europe et en Amérique du Nord ne disposent que de capacités de recyclage mécanique. Par conséquent, la plupart de ces recycleurs ne sont pas en mesure de produire des matériaux prêts à l’emploi pour la fabrication de nouvelles batteries. Cette masse noire est généralement transportée vers des recycleurs de la région Asie-Pacifique qui possèdent ces capacités.

Recyclage pyrométallurgique :
La pyrométallurgie consiste à extraire des matériaux des batteries par la chaleur, généralement avec un rendement élevé dans un four à arc électrique ou un haut fourneau. Ce procédé présente l’avantage de nécessiter un prétraitement minimal et d’être indépendant de la composition chimique des batteries, ce qui permet de traiter divers flux de déchets contenant des métaux, tels que les batteries NiMH, Ni-Cd et Li-ion. Cependant, ce procédé est gourmand en capital et en énergie, et exige une purification importante des gaz. La pyrométallurgie produit un alliage métallique mixte et un flux de scories contenant du lithium, du manganèse et de l’aluminium. Par conséquent, un traitement hydrométallurgique ultérieur est nécessaire pour récupérer tous les métaux précieux et obtenir des matériaux de qualité batterie.

Exemple de procédé pyrométallurgique de recyclage des batteries usagées. Source : IDTechEx

Recyclage hydrométallurgique :
Les techniques hydrométallurgiques permettent de recycler directement les résidus de pyrométallurgie ou d’affiner les alliages issus de cette dernière afin d’obtenir des sels métalliques de qualité batterie. Ces sels peuvent être réintroduits dans la fabrication de nouveaux précurseurs de cathodes et sont donc plus précieux que les résidus de pyrométallurgie. Le recyclage hydrométallurgique utilise la lixiviation, l’extraction par solvant ou la précipitation pour extraire sélectivement des métaux comme le nickel et le cobalt des résidus de pyrométallurgie, sous forme de sels de qualité batterie. Ses principaux avantages résident dans la récupération de métaux plus précieux et une consommation d’énergie moindre que celle du recyclage pyrométallurgique. Toutefois, le coût des réactifs et la forte consommation d’eau constituent des inconvénients. Néanmoins, lors d’entretiens avec IDTechEx, certains recycleurs ont indiqué pouvoir recycler l’eau à plusieurs reprises afin d’optimiser son efficacité.

Actuellement, la majeure partie des capacités de recyclage hydrométallurgique se situe dans la région Asie-Pacifique, avec des acteurs clés tels que Sungeel HiTech, Exigo Recycling et ACE Green Recycling. Cependant, des entreprises européennes et américaines reconnaissent les avantages du traitement hydrométallurgique et développent leurs capacités. Fortum a récemment démarré la production commerciale de son usine hydrométallurgique de Harjavalta, en Finlande. Il s'agit de la première installation de recyclage hydrométallurgique à échelle commerciale en Europe. Aux États-Unis, Li-Cycle prévoit également d'implanter sa propre usine hydrométallurgique à échelle commerciale.

Autres techniques
Bien que ces trois procédés soient généralement les plus développés et utilisés par les entreprises de recyclage de batteries lithium-ion, d'autres approches sont à l'étude. Le recyclage direct, en particulier, est une technique qui comprend un prétraitement mécanique et une séparation des composants, suivis d'une réactivation du matériau de la batterie afin de récupérer la capacité perdue lors des cycles, sans altérer la structure cristalline du matériau de la cathode. Cependant, cette technologie, encore au stade précommercial, fait l'objet d'études en laboratoire menées par des instituts de recherche.

Conclusions

Les fabricants de batteries cherchent à s'approvisionner en matériaux recyclés afin d'atténuer les fluctuations du prix des métaux et de stabiliser leur approvisionnement. Face à l'augmentation constante du volume de batteries lithium-ion en fin de vie, les recycleurs vont accroître leurs capacités de recyclage en construisant de nouvelles usines pour répondre à la demande. Le recyclage des batteries lithium-ion par des procédés hydrométallurgiques permet de produire des sels métalliques de qualité batterie, qui peuvent ensuite être utilisés dans la fabrication de nouvelles batteries. Les capacités de recyclage hydrométallurgique et mécanique vont se développer en Amérique du Nord, en Europe et en Asie-Pacifique. En Europe et en Amérique du Nord, les recycleurs vont commencer à mettre en place des installations de recyclage hydrométallurgiques à l'échelle industrielle afin de produire des sels métalliques à plus forte valeur ajoutée, en remplacement du lithium qu'ils produisaient traditionnellement. Cela permettra aux fabricants de batteries de ces régions de sécuriser leur approvisionnement en matériaux pour la fabrication de nouvelles batteries, tout en réduisant les risques liés à l'approvisionnement en matières premières et à la fluctuation des coûts.

Nouvelle réglementation européenne sur les batteries pour les systèmes « cellule-pack » et « cellule-carrosserie » :
La durabilité, la conception et le recyclage des batteries de véhicules électriques (VE) vont être profondément remaniés grâce à l’adoption d’une nouvelle réglementation européenne encadrant le marché des batteries. En juin 2023, le Parlement a approuvé une nouvelle législation établissant des exigences relatives aux batteries, notamment un « passeport batterie » et le recyclage de certains matériaux. Ces dernières années, le marché des VE a évolué vers une plus grande intégration des systèmes, avec des technologies telles que les systèmes « cellule-pack » et « cellule-carrosserie », qui peuvent rendre le démontage et/ou le retrait des batteries plus complexes. Cette situation évoluera-t-elle avec l’adoption de cette nouvelle réglementation ?

La nouvelle réglementation européenne couvre l'intégralité du cycle de vie d'une batterie, de l'extraction des matières premières à son recyclage en fin de vie. Afin de réduire l'impact de la fabrication initiale, les batteries doivent désormais intégrer davantage de matériaux recyclés. Des objectifs sont également fixés concernant la quantité de lithium (50 % d'ici 2027, 80 % d'ici 2031) et de cobalt, cuivre, plomb et nickel (90 % d'ici 2027 et 95 % d'ici 2031) qui doivent être récupérés des batteries usagées. Une étude d'IDTechEx sur le marché du recyclage des batteries lithium-ion révèle que 23,8 millions de tonnes de batteries lithium-ion seront recyclées d'ici 2043. Faciliter le retrait des batteries des véhicules et leur démantèlement pourrait s'avérer avantageux pour les recycleurs à long terme.

Les batteries à cellules intégrées (cell-to-cell) sont conçues pour que le pack batterie ne soit plus segmenté en plusieurs modules. Désormais, toutes les cellules sont empilées directement, ce qui permet de réduire les matériaux et le poids superflus, d'améliorer la densité énergétique, de simplifier la fabrication et de diminuer les coûts. Selon une étude d'IDTechEx, le rapport massique cellule-cellule (la proportion du poids du pack constituée par les cellules) d'une batterie à cellules intégrées est en moyenne supérieur de 20 %. La technologie « cell-to-body » ou « cell-to-chassis » va encore plus loin en faisant de la batterie un élément structurel du châssis du véhicule, ce qui permet une meilleure intégration et une réduction du poids total du véhicule. Le marché évolue dans cette direction : des constructeurs comme BYD installent déjà des systèmes « cell-to-pack » en grande quantité et les conceptions « cell-to-chassis » se généralisent, à l'instar du pack batterie 4680 de Tesla.

Les batteries à cellules séparées permettent de réduire considérablement la quantité de matériaux d'emballage autour des cellules. Source : IDTechEx

De prime abord, on pourrait penser qu'une conception cellule-à-cellule serait plus facile à démonter au niveau de la cellule, étant donné le nombre réduit de pièces dans le pack. Cependant, ces conceptions utilisent généralement beaucoup plus d'adhésifs structuraux ou de mousses d'encapsulation, ce qui peut souvent rendre le démontage d'un pack très difficile. En cas de panne, la solution standard consiste alors à remplacer l'ensemble du pack. Si les adhésifs ou les encapsulants utilisés pouvaient être dissous dans un solvant sans endommager significativement les cellules, cela simplifierait grandement le recyclage et constituerait un avantage concurrentiel pour les fournisseurs de matériaux. Dans le cas des batteries cellule-châssis, le retrait du pack du véhicule peut s'avérer plus complexe, rendant le travail des recycleurs beaucoup plus difficile.

Pour les concepteurs de batteries, la réglementation européenne ne précise rien concernant la structure interne de la batterie (structure des modules, séparateurs de cellules, adhésifs, etc.). Une méthode de recyclage consiste à broyer la batterie. Celle-ci est ensuite tamisée afin de séparer les particules les plus grosses des plus petites, ces dernières contenant les précieux matériaux d'électrode. La masse noire obtenue est ensuite traitée par hydrométallurgie pour récupérer le lithium, le cobalt, le nickel, etc., sous forme de sels métalliques de qualité batterie. Idéalement, ce procédé débuterait avec les seules cellules afin que la masse noire résultante présente un pourcentage plus élevé de métaux critiques. Certains ont introduit des modules entiers dans le broyeur ; un pack complet pourrait également être traité, auquel cas la conception de la batterie importe peu en fin de vie, et le concepteur pourrait profiter des avantages à court terme d'un pack de batteries moins cher et plus facile à fabriquer. Cependant, cela compliquera les étapes d'extraction ultérieures.

Outre le recyclage, les batteries de véhicules électriques peuvent également être réutilisées pour des applications de seconde vie, comme le stockage stationnaire d'énergie. Le rapport d'IDTechEx sur les batteries de seconde vie pour véhicules électriques révèle que ce marché atteindra 7 milliards de dollars d'ici 2033. Cette perspective élimine la nécessité immédiate de recycler une batterie, et la plupart des fabricants de batteries de seconde vie privilégient actuellement l'intégration au niveau du pack afin d'éviter les procédures de démontage complexes et chronophages au niveau des cellules. Malgré cela, le pack doit toujours être retiré du véhicule. Si le pack fait partie intégrante de la structure du véhicule, le temps de démontage s'allonge, ce qui renchérit le processus de réutilisation. Cependant, si un reconditionneur procédait hypothétiquement au démontage au niveau des cellules pour utiliser les cellules les plus performantes dans sa batterie de seconde vie, une conception « cellule-pack » (plutôt que « cellule-châssis ») pourrait réduire les temps de démontage et les coûts de reconditionnement, aboutissant ainsi à un système de seconde vie plus performant.

En résumé, la conception de batteries intégrées est loin de disparaître. Au contraire, la tendance à une intégration accrue des batteries dans les véhicules devrait se poursuivre, grâce à la réduction des coûts de fabrication et à l'augmentation de la densité énergétique. Les batteries des véhicules électriques ont généralement une durée de vie plus longue que prévu initialement, mais à l'avenir, à mesure que leur durée de vie augmente, la difficulté et les efforts nécessaires au recyclage de grandes quantités de batteries hautement intégrées pourraient devenir évidents. Les concepteurs devront donc prendre cet aspect en considération plus attentivement, d'autant plus que les objectifs de récupération des matériaux critiques se durcissent.

IDTechEx a étudié l'impact de l'assemblage cellule-pack/cellule-châssis sur divers matériaux de batteries, notamment les matériaux de protection contre l'incendie et d'interface thermique. Le rapport d'IDTechEx, intitulé « Matériaux pour cellules et packs de batteries de véhicules électriques 2023-2033 », présente les conceptions d'assemblage cellule-pack et cellule-châssis déployées et annoncées, ainsi que leur influence sur la résistance de divers matériaux et composants, tels que l'acier, l'aluminium, le cuivre, les composites, les matériaux d'interface thermique, les matériaux de protection contre l'incendie, l'isolation électrique, les plaques froides et les tuyaux de refroidissement. Le rapport examine également les matériaux utilisés dans les batteries, comme le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse, l'électrolyte, le fer, le phosphore, les liants, les boîtiers, le noir de carbone, le silicium et les séparateurs. Ces matériaux sont analysés en tenant compte des prévisions de la demande pour la période 2023-2033.