L'objectif « zéro émission nette » est depuis longtemps considéré comme un objectif majeur pour atténuer les effets du changement climatique. Récemment, le sommet de la COP26, qui s'est tenu à Glasgow, a défini le cadre dans lequel cet objectif sera atteint. Une déclaration, signée par plus de 30 gouvernements nationaux, stipulant que toutes les voitures particulières et camionnettes neuves seront 100 % zéro émission au plus tard en 2035 sur les principaux marchés, et en 2040 dans le reste du monde, souligne le rôle crucial que jouent les véhicules électriques dans la réalisation de l'objectif de zéro émission nette de carbone d'ici 2050.
L'importance des véhicules électriques dans les efforts visant à réduire les émissions de carbone liées aux transports se reflète également dans les politiques nationales de chaque pays : l'administration Biden a ainsi annoncé un décret visant à porter à 50 % la part des ventes de véhicules électriques d'ici 2030 aux États-Unis. De nombreux pays, dont le Royaume-Uni, la Norvège et la Nouvelle-Zélande, ont commencé à proposer des mesures incitatives à l'échelle nationale pour encourager les consommateurs à passer aux véhicules électriques. Plus de 420 000 voitures entièrement électriques circulaient au Royaume-Uni fin février 2022, les mesures d'incitation, la pression du marché et les restrictions imposées aux véhicules très polluants continuant d'alimenter la croissance rapide du secteur des véhicules électriques.
Cependant, le secteur est confronté à un obstacle majeur qu’il devra surmonter pour que la croissance se poursuive à ce rythme. Si la carrosserie des véhicules électriques repose en grande partie sur des ressources matérielles relativement abondantes, le stockage de l’énergie est une tout autre affaire. Les batteries utilisées dans les véhicules électriques ont actuellement une durée de vie pouvant aller jusqu’à 10 à 20 ans, alors que de nombreux constructeurs n’offrent qu’une garantie de 5 à 7 ans. Dans ce contexte, selon certaines estimations, 12,85 millions de tonnes de batteries lithium-ion provenant de véhicules électriques seront mises hors service entre 2021 et 2030.
La hausse de la demande pour ces matières premières a déjà eu un impact considérable sur le prix des sels de lithium, un composant essentiel des batteries actuelles. S&P Global Commodity Insights estime que le prix du carbonate de lithium est passé de 9 000 à 55 000 dollars la tonne en deux ans, entre février 2020 et février 2022. Alimentée par la demande sans cesse croissante en matière de transport électrique et d’autres applications de stockage d’énergie en plein essor, telles que les batteries couplées à des installations solaires photovoltaïques domestiques, et exacerbée par la suspension des projets miniers prévus au Chili et en Serbie en raison de l’opposition locale, cette hausse des prix pourrait augmenter considérablement le coût de production des batteries, ce qui risquerait de ralentir la croissance de l’adoption de ces technologies.
Le développement de batteries présentant une densité énergétique plus élevée et une durée de vie plus longue devrait permettre de réduire les besoins en matières premières par unité. À ce titre, l’innovation dans ce domaine devrait atténuer une partie de la pression que l’augmentation de la production de batteries exercera sur les ressources naturelles. Ce secteur a connu un développement croissant au cours des dernières décennies. Les récents changements politiques favoriseront une croissance encore plus forte au cours des prochaines années, des géants de l’industrie automobile tels que Ford, Mercedes-Benz et Volkswagen se précipitant tous sur ce marché. Malgré ce qui constituera sans aucun doute un formidable élan en faveur du développement, il est possible que cela ne suffise pas à répondre à la demande sans cesse croissante en véhicules électriques.
Le recyclage des batteries en fin de vie, qui permet de récupérer des matières premières précieuses, aura un rôle à jouer pour répondre à la demande et, compte tenu des coûts élevés des matières premières dus à une offre restreinte, pourrait devenir de plus en plus viable sur le plan économique, mais aussi intéressant sur les plans social et politique.
Début février 2022, une coentreprise entre Glencore et Britishvolt a annoncé son intention de développer une usine de recyclage dans le sud-est de l'Angleterre, capable de traiter 10 000 tonnes de batteries lithium-ion par an. L'usine devrait être opérationnelle d'ici mi-2023 et contribuera à combler le vide actuel sur le marché britannique du recyclage. Une fois la capacité assurée, l'innovation en matière de technologies de recyclage jouera un rôle crucial dans la régénération des composants très précieux des batteries.
Traditionnellement, les méthodes de recyclage des batteries lithium-ion consistent à broyer mécaniquement les électrodes, puis à traiter les matériaux broyés à l'aide d'un agent de gravure chimique ou d'un solvant capable de dissoudre le liant. Parmi les autres méthodes de recyclage connues, on peut citer la récupération des métaux par pyrométallurgie et par hydrométallurgie.
Les procédés pyrométallurgiques, qui utilisent un four à haute température pour réduire les oxydes métalliques constitutifs en un alliage, sont généralement incompatibles avec la récupération des électrolytes et des plastiques, qui peuvent représenter jusqu’à 50 % du poids de la batterie. Il est important de noter que ce procédé ne permet actuellement pas la récupération de composants précieux tels que les sels de lithium. Outre le nombre limité de matériaux récupérés, il présente également des inconvénients environnementaux (tels que le rejet de gaz toxiques et la nécessité d’un post-traitement hydrométallurgique), ainsi que des coûts énergétiques élevés.
On constate une multiplication des entreprises innovantes et des organismes de recherche qui s'efforcent d'améliorer les processus de recyclage des batteries. La mise au point de méthodes sûres et rentables permettant de récupérer les matériaux des batteries en vue de leur réutilisation est désormais reconnue comme un facteur clé de la transition durable dans le secteur des transports.
La Faraday Institution a lancé en 2018 son projet ReLiB (Recyclage des batteries lithium-ion des véhicules électriques), doté d’un financement de plus de 14 millions de livres sterling, qui a permis la mise en place de nouvelles installations d’essai et de stockage des batteries à l’université de Birmingham. Ces installations ont permis aux chercheurs des universités de Birmingham et de Leicester de mettre au point une nouvelle méthode de séparation utilisant des ultrasons ciblés. Les chercheurs ont compris que la frontière de phase entre les trois composants – le matériau actif, le liant et le collecteur de courant (ou métal) – jouait un rôle crucial, et que des ultrasons de forte puissance pouvaient être utilisés pour induire une cavitation à proximité de cette frontière de phase. L’implosion des bulles formées par la cavitation sert à induire des ondes de choc dans le matériau, ce qui écarte mécaniquement la frontière de phase et sépare ainsi physiquement les couches sans recourir à aucune réaction chimique. Le recours à la cavitation – plutôt qu’aux simples vibrations ultrasonores – permet d’exercer une force beaucoup plus puissante et concentrée au niveau de la limite de phase, afin de séparer les matériaux.
Concrètement, une feuille d’électrode (matériau d’électrode lié à un collecteur de courant) est déplacée dans un bac rempli d’eau, et une sonde à ultrasons spécialement agencée est utilisée pour induire une cavitation à la jonction entre le matériau d’électrode, le liant et le matériau du collecteur de courant : le matériau d’électrode délaminé remonte à la surface et peut être facilement retiré à l’aide d’une cuillère, laissant derrière lui le collecteur de courant propre (par exemple, une feuille métallique). Aucune température élevée ni aucun acide de gravure ne sont nécessaires. La séparation du liant du matériau actif de l’électrode est également possible en utilisant un solvant approprié à la place de l’eau dans le réservoir, ou en lavant le matériau récupéré avec un solvant afin de le dissoudre ultérieurement.
Cette innovation pourrait permettre un processus de séparation rapide, propre et continu, avec des flux de sortie séparés automatiquement, ce qui permettrait de récupérer et de réutiliser plusieurs matériaux différents issus d'une même batterie.
De telles avancées technologiques ouvriront la voie à un recyclage efficace des batteries, élément essentiel pour assurer la durabilité des batteries lithium-ion. Elles constituent un outil essentiel pour faciliter la transition vers un avenir plus électrifié, guidée par les préoccupations environnementales, l'évolution des préférences des consommateurs et les objectifs fixés par les pouvoirs publics.
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« Le recyclage des piles en fin de vie, qui permet de récupérer des matières premières précieuses, aura un rôle à jouer pour répondre à la demande. »
