Envol des véhicules électriques : le défi du recyclage de million de batteries usagées <!-- --> | Atlantico.fr
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Un automobiliste recharge son véhicule électrique.
Un automobiliste recharge son véhicule électrique.
©JOEL SAGET / AFP

Atlantico Green

Au Nevada et dans d'autres États américains, des entrepreneurs anticipent le prochain boom des batteries lithium-ion hors d'usage des voitures électriques et espèrent créer un marché pour les minéraux recyclés.

Ula Chrobak

Ula Chrobak

Ula Chrobak est une journaliste scientifique indépendante basée à Reno, dans le Nevada. Vous pouvez lire la suite de son travail sur son site web : ulachrobak.com.

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A 30 km à l'est de Reno, dans le Nevada, après des collines poussiéreuses parsemées de sauge d'un bleu discret et d'un panneau d'affichage occasionnel pour les avocats spécialisés dans les blessures, une grande structure en béton se dresse bien en vue dans le paysage désertique. Lorsqu'elle sera entièrement construite, elle servira de site pilote pour une activité que les entrepreneurs considèrent comme une facette majeure de la future économie verte américaine : le recyclage des batteries lithium-ion.

Le directeur de la construction, Chuck Leber, montre les baies où les camions déposeront les batteries, ainsi que les drains profonds dans les pièces pour récupérer les fuites de produits chimiques. Il me montre une dalle de béton de deux pieds sous le bâtiment - une fondation solide pour que les ouvriers puissent déplacer les équipements et adapter l'usine tout en affinant le processus de recyclage. Dans le courant de l'année, les premières piles passeront par l'installation ; l'objectif est de passer à 20 000 tonnes de piles par an. 

L'usine de 60 000 pieds carrés appartenant à l'American Battery Technology Company est une initiative optimiste visant à remédier à l'inconvénient environnemental des véhicules électriques, à savoir leurs batteries, qui exigent beaucoup de ressources. Il s'agit également d'un test pour savoir si les chefs d'entreprise peuvent tenir leurs promesses de contribuer à la mise en place d'une économie circulaire : une économie dans laquelle les matériaux sont réutilisés indéfiniment, ce qui minimise la nécessité d'extraire continuellement davantage de minéraux de la terre.

Depuis 2019, les véhicules électriques - VE - ont plus que triplé leur part du marché automobile, et 6,6 millions ont été vendus dans le monde en 2021. Face à la pression et parfois à la réglementation pure et simple pour réduire leur empreinte climatique, de nombreux constructeurs automobiles se sont engagés à arrêter les ventes de nouveaux véhicules à moteur à combustion d'ici 2040. "Dans cinq ans, nous visons à avoir des dizaines de millions de véhicules électriques sur les routes", déclare Alexandre Milovanoff, de la société de conseil en durabilité Anthesis Group, qui a étudié comment une transition vers les VE affecterait le réseau électrique américain. "Nous parlons d'un marché qui est en train d'exploser".

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Pour alimenter la demande croissante de batteries de VE, le gouvernement et les entreprises américaines investissent dans l'exploitation minière nationale des minéraux nécessaires - notamment le nickel, le manganèse, le cobalt et le lithium (dont le prix a plus que quadruplé en 2021). Mais ils cherchent également des moyens de réduire la dépendance à l'égard des matériaux nouvellement extraits par le biais du recyclage. En mars 2022, le président Joe Biden a invoqué la loi sur la production de défense pour renforcer l'approvisionnement en minéraux très demandés, en orientant les investissements nationaux vers l'exploitation minière et d'autres formes de récupération.

Les chercheurs affirment que le recyclage pourrait permettre d'éviter les risques environnementaux liés à l'exploitation minière et à l'accumulation de déchets de batteries dangereux, mais le retraitement de ces batteries et le raffinage des métaux qu'elles contiennent en vue de leur réutilisation sont difficiles et coûteux, et beaucoup d'entre eux restent sceptiques quant à la possibilité d'une chaîne d'approvisionnement véritablement circulaire. "Une batterie de véhicule électrique est une pièce de technologie très complexe avec beaucoup de composants différents - donc une installation de recyclage va être très compliquée", explique Michael McKibben, géologue à l'Université de Californie, Riverside. "À long terme, cela va être important, mais à court terme, il y a du chemin à faire".

Approvisionnement en minéraux spécifiques

Pour alimenter une voiture, les électrons de la batterie se déplacent de l'électrode négative, l'anode, vers l'électrode positive, la cathode. En général, l'anode est composée de cuivre et de graphite, tandis que la cathode est constituée d'une catégorie de composés appelés oxydes de lithium métallique, qui contiennent du lithium et d'autres métaux tels que le cobalt, le manganèse et le nickel.

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Tous ces métaux doivent être obtenus et le recyclage seul ne peut pas encore répondre aux besoins du marché. Bien que les États-Unis possèdent de nombreuses mines de cuivre (et obtiennent une part non négligeable de ce métal grâce au recyclage des déchets), la quasi-totalité des autres métaux contenus dans les batteries lithium-ion proviennent de mines situées dans d'autres pays. Plus de 80 % du lithium mondial provient du Chili, d'Australie et de Chine, tandis que plus de 60 % du cobalt provient de la République démocratique du Congo.

Cette dépendance vis-à-vis de l'étranger peut avoir un coût. Une grande partie du lithium extrait aujourd'hui, par exemple, provient du fragile désert d'Atacama, au Chili, où le métal est récupéré par évaporation de saumure salée dans d'immenses bassins. Cette méthode est rentable, mais les chercheurs et les communautés locales s'inquiètent des déchets toxiques et de l'épuisement et de la contamination des réserves d'eau. Selon une estimation, il faut 500 000 gallons d'eau - en grande partie perdus par évaporation - pour concentrer une seule tonne métrique de lithium. L'approvisionnement en métaux pour batteries a également été lié à des violations des droits de l'homme dans certains endroits, comme l'exploitation du cobalt en République démocratique du Congo, où des entreprises ont été accusées de faire travailler des enfants, de payer mal les travailleurs et de ne pas fournir d'équipements de sécurité de base.

Les véhicules électriques sont alimentés par de grands blocs de batteries composés de milliers de cellules individuelles. Chaque cellule contient quatre composants principaux : une électrode négative ou anode, une électrode positive ou cathode, un séparateur en plastique entre les électrodes et un électrolyte liquide dans lequel circulent les ions de lithium. Ces composants, en particulier la cathode, nécessitent des quantités importantes d'énergie et de matériaux pour être produits.

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Le transport des matériaux sur de longues distances a également un impact sur les gaz à effet de serre : Avant même que quiconque ne prenne place dans le siège du conducteur d'un véhicule électrique flambant neuf, certains matériaux de la batterie du véhicule électrique ont déjà parcouru des dizaines de milliers de kilomètres. (Pourtant, les véhicules électriques - à quelques exceptions près - ont une empreinte carbone plus faible que les voitures à essence, et l'électrification des transports est essentielle pour réduire les émissions de carbone et éviter des niveaux désastreux de changement climatique).

Pour l'instant, l'exploitation minière reste un besoin, et les chercheurs pensent qu'il est possible de réduire ses impacts grâce à des opérations nationales et à de nouvelles technologies. Mais ils affirment qu'il est également crucial d'accélérer le développement de la technologie et des modèles commerciaux pour le recyclage. Après des milliers de charges et de décharges, les cellules des batteries lithium-ion s'assèchent et des fissures se forment dans les matériaux de la cathode, jusqu'à ce que la batterie ne puisse plus contenir ni délivrer suffisamment de charge. Des millions de batteries de VE atteindront bientôt ce stade, et si elles sont déposées à la décharge, elles peuvent laisser échapper des produits chimiques toxiques et même prendre feu. Quelques entreprises américaines collectent les batteries pour les recycler, mais cette capacité est en retard sur le volume des batteries lithium-ion usagées provenant des voitures, téléphones, ordinateurs et autres appareils électroniques. En 2019, les entreprises de recyclage américaines ont détourné des décharges environ 15 % de toutes les batteries lithium-ion retirées.

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Les défis du recyclage

La rentabilité est un obstacle majeur. Bien que les batteries lithium-ion contiennent des métaux précieux, elles sont difficiles à démonter et les minéraux sont difficiles à extraire des couches serrées de composés inorganiques et organiques. Selon une estimation, le coût du lithium recyclé est cinq fois supérieur à celui du lithium vierge extrait de la saumure. Comparez cela aux batteries au plomb des voitures à combustion, qui sont presque entièrement détournées des décharges et recyclées. "Il est très facile de recycler une batterie au plomb par rapport à une batterie au lithium-ion", déclare le géologue Jens Gutzmer, directeur de l'Institut Helmholtz de Freiberg pour la technologie des ressources en Allemagne et coauteur d'un article sur la mise en place d'une économie circulaire des métaux dans la revue Annual Review of Materials Research.

La recette des batteries au lithium-ion nécessite des minéraux provenant du monde entier, parfois de pays aux normes environnementales et de travail relativement faibles. Les principales sources de certains minéraux importants pour les batteries sont présentées ici.

Un autre problème est que les principaux procédés actuels de recyclage des batteries lithium-ion ne sont pas non plus particulièrement efficaces. Un procédé utilisé par de nombreux recycleurs, la pyrométallurgie, consiste à faire fondre les batteries et à brûler les séparateurs en plastique pour en extraire les métaux convoités. La pyrométallurgie consomme beaucoup d'énergie, émet des gaz toxiques et ne permet pas du tout de récupérer certains minéraux précieux, dont le lithium.

Avec l'augmentation des ventes de VE, une vague massive de batteries de voitures électriques mortes va bientôt exacerber les problèmes de recyclage. D'ici 2028, les chercheurs prévoient que le monde aura plus d'un million de tonnes métriques de ces batteries à traiter. "J'aime comparer cela à l'industrie du plastique - nous avons beaucoup de déchets plastiques, et les gens ne s'en occupent pas vraiment - et je crains que cela ne se produise également avec les batteries", déclare Laura Lander, spécialiste des matériaux au King's College de Londres. Pourtant, s'il était rentable, le recyclage des batteries des véhicules électriques pourrait, d'ici à 2040, réduire de 25 % les besoins mondiaux en lithium nouvellement extrait, et de 35 % ceux en cobalt et en nickel, selon un rapport préparé par l'Institute for Sustainable Futures de l'université de technologie de Sydney, en Australie.

Des efforts pour améliorer le recyclage des batteries sont en cours au ReCell Center du ministère de l'énergie, une collaboration avec des laboratoires nationaux et des universités lancée en 2019. Là, les chercheurs s'efforcent de mettre à l'échelle ce que l'on appelle le "recyclage direct". Cette méthode vise à récupérer le matériau de la cathode - une poudre soigneusement fabriquée - sans faire fondre ou dissoudre la batterie entière et détruire la poudre dans le processus. "Ils ont mis beaucoup de temps et d'efforts pour fabriquer ces belles particules sphériques d'environ 10 microns de diamètre avec la bonne structure cristalline", explique Albert Lipson, un scientifique spécialiste des matériaux à l'Argonne National Laboratory et au ReCell Center.

L'équipe de recherche de M. Lipson a mis au point un procédé chimique permettant de récupérer la poudre de cathode, qui peut ensuite être rajeunie par l'ajout de lithium frais, ce qui permet de restituer la capacité de charge perdue lors du vieillissement de la batterie d'origine. La méthode de recyclage direct pourrait rendre plus rentable la récupération des composants de la batterie tout en produisant moins d'émissions de gaz à effet de serre que les autres procédés de recyclage qui utilisent des étapes à forte intensité énergétique pour refabriquer les matériaux de la cathode. (Le recyclage direct de ReCell n'est pour l'instant réalisé qu'en laboratoire, mais M. Lipson indique que son équipe travaille avec des entreprises pour étendre le processus.

Les jeunes entreprises de recyclage de batteries, quant à elles, utilisent principalement une technique appelée hydrométallurgie qui dissout les batteries dans de l'acide. Des solvants liquides sont ensuite utilisés pour extraire les minéraux. Bien que l'hydrométallurgie ne soit pas nouvelle, les entreprises de recyclage - dont American Battery Technology Company et Redwood Materials, toutes deux basées dans le nord du Nevada et dirigées par d'anciens ingénieurs de Tesla - affirment qu'elles rendent le processus plus efficace et récupèrent davantage de matériaux que par le passé.

Ryan Melsert, qui dirige American Battery Technology, explique que le temps qu'il a passé à la Gigafactory de Tesla - une installation gargantuesque qui assemble des batteries près de Sparks, dans le Nevada - lui a permis de découvrir des moyens d'améliorer la technologie de recyclage. Au lieu de déchiqueter les batteries comme le fait le recyclage hydrométallurgique à l'ancienne, son entreprise utilisera des machines pour décomposer les batteries usagées, puis séparera et vendra les composants de moindre valeur tels que le plastique, l'aluminium et l'acier. Des réactions chimiques exclusives permettront ensuite d'extraire le nickel, le cobalt, le manganèse et le lithium.

"Au lieu de simplement jeter une batterie dans un four ou une déchiqueteuse", explique M. Melsert, "ce que notre équipe a fait, c'est essentiellement prendre un grand nombre des mêmes techniques que nous avons développées du côté de la fabrication et nous les utilisons maintenant dans l'ordre inverse." Selon lui, ce procédé permet de récupérer plus de 90 % des éléments de grande valeur.

Récupérer les batteries des voitures

Mais pour recycler les batteries, ces jeunes entreprises devront s'assurer que les packs arrivent bien dans leurs installations. C'est un défi en soi, car les installations qui traitent aujourd'hui les véhicules hors d'usage n'ont pas de protocoles pour les VE, notamment pour la manipulation des batteries. Melsert dit que son entreprise espère s'appuyer sur de nouveaux partenariats avec General Motors, Ford et Stellantis (qui possède plusieurs marques dont Dodge, Jeep et Maserati) pour s'assurer que lorsqu'une voiture est échangée, la batterie sera envoyée au recyclage. Redwood Materials a annoncé des collaborations avec Volkswagen, Toyota, Ford et d'autres constructeurs automobiles pour la collecte et le recyclage des batteries.

Alors que je me promène avec Leber, le directeur des travaux, à travers la future installation de recyclage d'American Battery Technology, il me montre où sera situé l'entrepôt des produits finis, de l'autre côté du bâtiment, à côté des baies pour camions. Pendant la première phase d'exploitation, ces produits finis consisteront en une "masse noire", un mélange friable de métaux précieux qui sera vendu à des fonderies pour être affiné et revendu aux fabricants de batteries. À terme, l'entreprise prévoit d'ajouter une deuxième étape qui permettra de raffiner davantage ce mélange en minéraux distincts sur place.

Pour atteindre l'objectif de réduction des émissions de carbone qui permettrait de maintenir l'augmentation de la température mondiale bien en dessous de 2 degrés Celsius (scénario de développement durable), l'Agence internationale de l'énergie prévoit que la demande de plusieurs minéraux clés va monter en flèche. La demande augmentera également, quoique moins fortement, si les pays se contentent de respecter leurs engagements actuels (politiques déclarées).

American Battery Technology, ainsi que Redwood Materials, Retriev Technologies et la société canadienne Li-Cycle - les quatre principaux constructeurs de capacités de recyclage de batteries de VE aux États-Unis - affichent sur leurs sites Web des visions suggérant qu'ils s'efforcent de construire une chaîne d'approvisionnement recyclable à l'infini. Mais une réutilisation vraiment infinie des minéraux des batteries est-elle possible ? Selon des experts comme Milovanoff et Gutzmer, c'est peu probable en raison d'obstacles tels que le coût de la main-d'œuvre et les besoins énergétiques. Néanmoins, il est techniquement possible de passer à l'échelle supérieure et de recycler plus de 90 % du lithium, du cobalt, du nickel et du cuivre contenus dans les batteries, selon M. Lipson, à condition que les conditions économiques soient réunies.

En fin de compte, le succès du recyclage des batteries dépend de la possibilité de le faire à un coût suffisamment bas. Même avec une technologie améliorée, les recycleurs pourraient avoir des difficultés à rendre leurs produits compétitifs par rapport aux minéraux vierges, explique Aimee Boulanger, directrice exécutive de l'Initiative pour une assurance minière responsable, une coalition qui travaille avec des entreprises pour améliorer les normes environnementales et de travail des projets miniers. Des mesures d'incitation et des réglementations peuvent également être nécessaires : Dans l'Union européenne, les régulateurs ont proposé des lignes directrices pour les piles durables, qui prévoient notamment qu'elles contiennent une proportion de matériaux recyclés.

Melsert est optimiste. Il pense qu'étant donné que la plupart des minéraux pour batteries sont actuellement extraits à l'échelle internationale, les coûts de transport et d'importation des minéraux vierges rendront les matériaux recyclés au niveau national compétitifs - un calcul étayé par certaines recherches. Dans deux ans environ, il espère pouvoir commencer à construire une installation d'un ordre de grandeur supérieur pour faire face à la croissance des ventes de VE. Et comme la demande de minéraux dépasse ce que le recyclage peut, pour l'instant, fournir, son entreprise a également des intérêts dans l'extraction de lithium dans le centre du Nevada.

"Certaines des plus grandes entreprises du monde achètent autant de métaux de batterie recyclés que possible", explique-t-il. "Le défi, à l'heure actuelle, est vraiment de savoir qui peut passer à l'échelle supérieure le plus rapidement".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.

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