Le potentiel de recyclage des batteries LFP reste en grande partie inexploité
Le projet de recherche ADDAPT.BATT mise sur les flux mixtes
Une batterie LFP est une batterie lithium-ion dans laquelle le phosphate de fer lithié (LiFePO₄) est utilisé comme matériau cathodique. Elle ne contient pas de métaux précieux, est plus stable thermiquement que certaines autres batteries au lithium et présente une longue durée de vie. Son utilisation dans les voitures électriques augmente rapidement, mais le recyclage peine à suivre le rythme. Le projet de recherche ADDAPT.BATT vise donc à exploiter la chimie LFP et les techniques électrochimiques pour la récupération sélective de métaux purs à partir de déchets de batteries mélangés.
Défis
Les batteries LFP sont des batteries Li-ion dépourvues de métaux coûteux tels que le cobalt ou le nickel, contrairement aux batteries NMC (LiNiMnCoO₂) qui en contiennent. En raison de leurs autres avantages, leur utilisation dans les voitures électriques connaît actuellement une forte croissance. Les entreprises de recyclage se concentrent toutefois principalement sur les matériaux à forte valeur économique tels que le cobalt et le nickel, que l’on trouve surtout dans le matériau de la cathode d’autres types de batteries Li-ion. Cela pose des défis pour l’économie circulaire de ce secteur.
Objectifs
Le potentiel de recyclage des batteries LFP reste pour l’instant largement inexploité. Shoshan Abrahami, maître de conférences et responsable du projet ADAPT.BATT, le confirme : « Nous menons depuis longtemps des recherches sur le recyclage des batteries et, à la lumière de celles-ci, nous avons identifié l’absence de recyclage des batteries LFP comme un point à améliorer impérativement. »
Avec son équipe, composée de chercheurs de l’Université technique de Delft (TUD, son employeur), de l’Université d’Utrecht (UU), de l’Université de Groningue (RuG) et de TNO, elle souhaite contribuer à cette amélioration en se concentrant sur :
- la récupération de matériaux de haute pureté à partir de flux mixtes de déchets de batteries, afin qu’ils puissent être réutilisés dans des batteries ;
- l’amélioration de la circularité de la chaîne de valeur des batteries en évitant le gaspillage des matières premières et en les réutilisant ;
- apporter une contribution significative à la mise en œuvre de la réglementation européenne sur les batteries et à une industrie circulaire des batteries.
« Nous nous concentrons sur le développement de méthodes permettant de séparer de manière plus sélective des éléments tels que le lithium, le fer, le phosphore, l’aluminium et le cuivre à partir de solutions issues de la lixiviation simultanée de flux de déchets mixtes », explique le chef de projet.
Flux mixtes
Abrahami précise le « plan d’action » : « Pour atteindre ces objectifs, le projet ADAPT.BATT se concentre sur le recyclage simultané des composés chimiques LFP et NMC ; on parle dans ce contexte de flux mixtes. La première étape consiste à s’assurer que les batteries LFP sont bel et bien recyclées. Pour ce faire, nous les utilisons dans le cadre du recyclage des batteries NMC et d’autres batteries Li-ion. Au cours de ce processus, le fer issu des batteries LFP est utilisé pour réduire des métaux de transition précieux, tels que le cobalt, le nickel et le manganèse, présents dans les cathodes d’autres composés chimiques de batteries. Il remplace ainsi un agent réducteur externe, ce qui réduit l’impact environnemental du processus tout en permettant le recyclage des batteries LFP. »
Cette approche a été développée à l’Université technique de Delft et a déjà fait l’objet d’une première publication scientifique. Des résultats antérieurs ont montré qu’elle permettait de réduire considérablement la consommation de produits chimiques, sans perte d’efficacité de lixiviation.
Ce qui distingue ce nouveau projet de recherche, c’est le développement d’une combinaison intégrée de méthodes électrochimiques permettant de séparer de manière ciblée et efficace les composants d’un mélange complexe. En mettant l’accent sur la séparation sélective et la régénération directe des réactifs, le processus peut être rendu encore plus durable et s’inscrire dans une économie circulaire.
Chimie du LFP
Ce terme fait référence à la composition chimique et aux propriétés électrochimiques du phosphate de lithium et de fer (LiFePO₄), utilisé comme matériau de cathode pour les batteries Li-ion.
Pour le recyclage de la poudre LFP, la méthode hydrométallurgique reste pour l’instant privilégiée. Dans ce procédé, les métaux contenus dans la « black mass » (voir encadré) sont d’abord dissous dans un solvant approprié, par exemple un acide. Ensuite, les métaux tels que le lithium, le fer, le phosphate, ainsi que le cuivre et l’aluminium – tous deux issus des fines feuilles métalliques sur lesquelles sont déposés les matériaux d’électrode (feuilles collectrices) – sont séparés chimiquement. Une fois récupérés, ils servent de matière première pour de nouvelles applications.
Abrahami ajoute une précision à ce sujet : « Dans le cadre de ce projet, nous utilisons de la « black mass » fournie par des partenaires industriels. Cela renforce la pertinence de nos recherches, car ces matériaux sont représentatifs des flux industriels réels, qui sont généralement hétérogènes et contiennent divers contaminants. »
Une technique en plein essor consiste à recycler directement la poudre de LFP, ce qui présente l’avantage majeur de préserver la structure chimique d’origine. Son application fait actuellement l’objet de recherches.
De la « black mass », cette poudre de LFP peut être obtenue de différentes manières. À l’échelle industrielle, cela se fait généralement en réduisant la taille des batteries et en les broyant (par déchiquetage). Ce processus peut être associé à un traitement thermique, généralement la pyrolyse, ainsi qu’à des techniques de séparation. Celles-ci exploitent les différences de granulométrie, de propriétés magnétiques ou de conductivité électrique pour séparer les différentes fractions les unes des autres. La fraction fine ainsi obtenue contient principalement les matériaux actifs de la cathode et de l'anode, ainsi que quelques impuretés provenant d'autres composants de la batterie.
Techniques électrochimiques
Celles-ci utilisent un courant électrique et le déplacement contrôlé d’ions au sein d’un électrolyte pour dissoudre, séparer ou redéposer de manière ciblée des métaux précieux – en l’occurrence le lithium, le fer, le phosphore, l’aluminium et le cuivre. En contrôlant avec précision les paramètres électrochimiques et les conditions de traitement, il est possible d’obtenir une récupération ou une purification efficace et sélective de métaux spécifiques.
« En général, cela s’accompagne d’une sélectivité plus élevée et d’un impact environnemental moindre que dans le cas des procédés chimiques conventionnels. Les techniques que nous allons utiliser pour la récupération de haute pureté des métaux et autres composants des batteries LFP comprennent notamment l’électro-extraction, les réactions électrochimiques redox et de précipitation, ainsi que l’utilisation d’électrodes sélectives aux ions et de la technologie des membranes. Toutes ces techniques se caractérisent par un haut degré de sélectivité et de contrôle du processus, ce qui les rend particulièrement adaptées à la récupération de haute pureté des métaux et autres composants issus des batteries LFP. »
Perspectives
Le projet d’Abrahami a démarré en 2026 et s’étend sur quatre ans. « Étant donné que nous nous appuyons sur des connaissances existantes, nous espérons pouvoir présenter des résultats dès le début du projet. En revanche, ce projet de recherche est mené à l’échelle du laboratoire, ce qui signifie qu’il faudra plus de temps avant que des applications industrielles ne soient réellement disponibles. Grâce à la contribution et à l’engagement d’un grand nombre de partenaires industriels, nous essayons d’accélérer autant que possible cette transition. Si nous y parvenons, nous contribuerons concrètement à la circularité de la chaîne de valeur des batteries », explique le chef de projet.