Comment se recyclent les batteries de voiture électrique lithium-ion ?

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C'est un sujet sensible qui fait couler beaucoup d'ancre, et même au delà puisque le recyclage des batteries au lithium-ion est l'un des premiers arguments des détracteurs de la voiture électrique. Le recyclage des accumulateurs chimiques étant encore balbutiant à l'échelle mondial, la méconnaissance du sujet vise à accroître les méfiances, à juste titre.
Toutefois, et c'est ce que nous allons voir ici, cette opération reste dans une certaine mesure très semblable à n'importe quel autre type de recyclage. Il n'y a rien de particulier d'un point de vue technique, et les contraintes restent donc conventionnelles : besoin énergétique pour trier et (éventuellement) chauffer ainsi que le transport (d'autant plus que les usines de traitement restent encore rares et disséminées un peu partout, ayant chacune un rôle dans le processus à plusieurs étapes). Il faut en effet ici dissocier et trier des métaux (terres rares qui sont des métaux lourds, à savoir les atomes les plus bas dans le tableau de Mendeleïev) qui ont été assemblés et solidarisés au sein d'organe électrochimiques qui composent les batteries.

A lire :

• Durée de vie des batteries de voiture électrique
• Fonctionnement des batteries lithium

Le recyclage consiste donc en plusieurs étapes qui visent à séparer, récupérer et purifier les différents composants. Le principe général (qui peut varier d'un opérateur à l'autre, pas de procédé unique et déterminé même si tous se rejoignent dans la logique) est alors le suivant :

Retrouvez le détail des étapes ci-dessous

Réutilisation

Avant de vouloir recycler une batterie, on utilisera parfois ce qui lui reste comme capacités dans des centrales de stockage d'énergie. En effet, recycler une batterie dont il reste 60% de réserve revient à gâcher et mettre au rebus un objet encore fonctionnel.
Cela se destine toutefois principalement aux batteries de voitures qui sont dotées de packs volumineux (et donc de forte capacité électrique) et déjà arrangés en terme d'architecture (organisation des cellules et packs en série et parallèle qui forme une sorte "grosse cellule" prête à l'emploi et proposant de grandes ressources).
Les batteries ayant perdu en densité énergétique (avec un seuil arbitré à 70% par la garanties constructeur) peuvent alors être utilisées jusqu'à une trentaine d'années !
Hélas, cela est encore plus au stade de la théorie que de la réalité ... Peu de batteries sont en effet réexploitées. Peut-être les verrons-nous débarquer dans les domiciles pour appuyer les panneaux solaires qui devraient se démocratiser avec l'augmentation de l'énergie ? Les centrales électriques devraient aussi commencer à mettre en place des "champs" de batteries interconnectées en elles, qui permettent de servir de stockage tampon.

Ici le cas d'une réutilisation dans le but d'appuyer une centrale solaire

Collecte

Les pays occidentaux étant très encadrés en ce qui concerne la mise au rebus des automobiles, les batteries sont facilement collectées par les voies habituelles, à savoir les casses et concessions automobiles. De plus, la valeur résiduelle d'une batterie (seule ou intégrée à la voiture) motivera le propriétaire à ne pas abandonner sa voiture dans l'environnement.
Enfin, les batteries de téléphones ou de voitures finissent dans les mêmes usines de retraitement, car une batterie de voiture est constituée d'une multitude de petites batteries très semblables à celles qu'on peut trouver dans les appareils plus petits (on peut même retrouver les cellules lithium cylindriques à vendre au détail dans certains magasins).

Stockage / tri

Le stockage en quantité de matériaux dangereux se fera par des entités ayant obtenu le certificat ICPE 2710-1.
Un tri sera bien évidemment effectué pour des raisons pratiques mais aussi sécuritaires. Les batteries Lithium-ion (NMC, LIPO, LiCoO2, LFP ...), NiMH etc.

A lire : les différents types et chimies des batteries au lithium-ion

Sachez pour information que les batteries lithium-ion sont moins dangereuses que les batteries de servitude au plomb/acide (12V) en terme de toxicité pour les organismes vivants. En revanche, les risques d'incendie et d'explosion sont davantage du côté du lithium ...

La manipulation doit se faire avec précaution pour ne pas endommager les batteries qui, si elles sont percées, subissent un court circuit (entre anode et cathode) qui provoquera une combustion/oxydation soudaine. Le souci est d'autant plus vrai avec les batteries poches. Les accumulateurs endommagés, de type enflement, seront bien mis de côté.

Elles sont mises en sécurité en subissant une décharge profonde dans le but de limiter la tension aux bornes (plus une batterie est déchargée moins elle a de potentiel).

Le premier objectif sera d'éviter toute corrosion des piles et accumulateurs, ce qui augmente la difficulté à recycler par la suite. Ils seront donc stockés dans un environnement sec et frais (pour limiter les risques d'emballement).
Il faut ensuite amenuir la propagation en cas d'incendie, et ce malgré toutes les précautions prises, à savoir stocker les accumulateurs entre les couches d'une substance qui limiterait les dégâts, comme par exemple de la vermiculite (qui se dilate fortement en cas de chaleur, limitant alors la propagation des flammes). C'est d'ailleurs un élément qui sera utilisé à de nombreuses reprises, avec son introduction dans certaines unités de broyage, afin de limiter les dégâts en cas d'incendie (mettre sous pression et déchiqueter des accumulateurs amènent de gros risques).
Beaucoup d'espace doit aussi être alloué dans les hangars pour éviter trop de concentration de matière dangereuse.

Démantèlement / séparation des éléments

La deuxième étape consiste à démonter la batterie pour séparer les différents composants, tels que le faisceaux, les boîtiers et les cellules (cylindriques, poches etc.).
L'objectif des usines modernes est toutefois d'éviter de devoir effectuer cette tâche, et les chaînes de recyclages tendent à pouvoir assumer des éléments qui n'ont pas été démantelés.
Le stockage de ce qui reste à traiter sera ici sous les mêmes conditions et contraintes qu'auparavant.

Cette opération est souvent effectuée ailleurs chez un autre prestataire, loin du lieu de stockage, et il faut intégrer que les batteries voyageront beaucoup tant que l'activité de recyclage ne sera pas courante dans une majorité de pays (permettant sa concentration dans des secteurs plus réduits). C'est donc un surplus de pollution à ne pas négliger car les masses à transporter ne sont pas négligeables.

L'idéal est de n'avoir que les cellules individuelles qui composent le pack de batterie. Tout ce qu'il y a autour doit être écarté au maximum.

Ces cellules seront alors broyées pour effectuer un premier tri entre le plastique, le cuivre et l'aluminium. Ce tri sera fait de manière astucieuse en utilisant la force électromagnétique (métaux), la flottaison (plastiques), tamis (selon taille des éléments, poudreux ou morceaux) et le soufflage (éléments légers comme le plastique).
Reste alors une poudre noire qui mélange le cobalt, le lithium, la manganèse, le graphite et le nickel s'agissant d'une batterie NMC par exemple.
Notez que le broyage est effectué dans un environnement sans oxygène pour éviter les incendies liés aux courts-circuits qui seraient induits par cette opération (et qu'on ne peut éviter).

Traitement chimique (hydrométallurgie)

Le moyen le plus économe en énergie consiste à traiter de manière chimique les métaux oxydés qui sont encore amalgamés entre eux, la fameuse poudre noire. On va en effet utiliser l'hydrométallurgie qui consiste à dissoudre les métaux dans des solutions de type acide, concentré alcalin ou chlore.

L'autre avantage de ce procédé est d'obtenir une pureté des métaux plus importante, limiter les émissions de polluants dans l'air ainsi que de limiter les pertes. La solution thermique induit en effet des combustions qui détruisent certains composants importants comme le graphène, le lithium ou encore l'électrolyte ...

Hélas, cette solution est encore dans les cartons et c'est la pyrométallurgie qui est pratiquement la seule à être utilisée ... Il y a aussi d'autres inconvénients que je vous laisse retrouver sur l'article qui vise à voir si le recyclage des batteries est avantageux ou pas.

Traitement biométallurgique ?

Cela revient à faire la même chose mais avec des actifs non plus chimiques mais biologiques, de type bactéries. Hélas, ces dernières ne peuvent pas retraiter des matières trop concentrées en métaux, et elles demandent pas mal de temps. D'un point de vue économique ce n'est pas (encore ?) rentable.

(Ou) Traitement thermique (pyrométallurgie)

Le reste est ici sont soumis à des températures élevées (près de 1500 degrés pendant 30 minutes, ce qui est très énergivore) pour libérer les métaux précieux, tels que le nickel et le cobalt seulement. Les chauffer fera alors perdre beaucoup d'éléments comme l'électrolyte, le lithium, le manganèse (perte à 50%) ou encore le graphite (les couches de carbone côté anode).
Parfois les opérations de brûlage sont effectuées juste après le broyage sans tri, ce qui fait aussi disparaître le plastique.

Les métaux sont ensuite séparés les uns des autres en utilisant des techniques telles que la gravité, la flottation, la magnétisation et la centrifugation.

Il sont enfin purifiés pour éliminer les impuretés et les résidus de traitement. Cette opération est encore plus nécessaire avec la méthode de pyrométallurgie.

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