Batteries circulaires : l’enjeu décisif de la réincorporation des métaux recyclés
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Alors que l’Europe impose un virage serré vers l’électrification, une question demeure : que faire des batteries une fois la route terminée ? Derrière l’essor des véhicules électriques se joue un enjeu stratégique central pour la transition énergétique, celui de recycler efficacement les batteries lithium-ion et de réintégrer leurs métaux critiques dans de nouvelles cellules, sans perte de performance ni de traçabilité. C’est précisément l’ambition du projet LabBatteriesVertes, qui entend mettre les batteries à l’épreuve du recyclage pour fermer durablement la boucle industrielle.
Sous l’objectif d’un microscope électronique, passe une poudre noire. À l’écran, des particules de matière active s’entremêlent. Cette poudre est communément appelée « black mass » par les spécialistes. Elle est issue du broyage de batteries lithium-ion en fin de vie, et elle concentre lithium, nickel, manganèse, parfois cobalt… Tout ce qui fait battre le cœur de nos véhicules électriques, mais aussi tout ce qui crispe les tensions géopolitiques mondiales.
Depuis l’entrée en vigueur du nouveau règlement européen sur les batteries (2023/1542), l’Union européenne impose des objectifs ambitieux de collecte, de rendement de recyclage et, surtout, l’intégration progressive de matières recyclées dans les nouvelles batteries mises sur le marché.
Autrement dit, il ne s’agit plus seulement de traiter un déchet, mais de garantir la réintégration de métaux stratégiques dans des cellules performantes, traçables et conformes aux exigences industrielles.
Cette sécurisation est aussi un enjeu de souveraineté : le lithium est majoritairement extrait en Amérique latine et en Australie, tandis que le cobalt provient en grande partie de la République démocratique du Congo. Recycler devient alors un levier de réduction des dépendances. « Il y a des enjeux environnementaux réels, mais aussi des enjeux stratégiques majeurs. L’Europe cherche à sécuriser ses approvisionnements », traduit Bruno Sialve, enseignant-chercheur au laboratoire DEEP [1].
Un partenariat au service de la circularité
Les performances de recyclage demeurent encore inférieures aux objectifs désormais inscrits dans le règlement européen sur les batteries, qui prévoit une montée en puissance progressive des taux de valorisation des métaux critiques au cours de la décennie.
C’est pour combler ce fossé entre l’ambition politique et la réalité industrielle qu’est né le projet Laboratoire des Batteries Vertes, soutenu par la Région Auvergne-Rhône-Alpes dans le cadre de l’appel à projets « Matériaux durables ». Ce projet associe le laboratoire DEEP, le laboratoire MatéIS [2] et l’industriel MTB Recycling, coordinateur du projet.
Ensemble, ces trois équipes travaillent sur le « prétraitement mécanique ». À cette étape, la batterie usagée est démantelée puis broyée pour devenir un ensemble de flux de matières premières secondaires, séparés et triés par action mécanique (tri aéraulique, densimétrique, granulométrique…), dont la fameuse « black mass », qui concentre les principaux matériaux d’intérêt.
L’objectif du consortium est de développer des stratégies analytiques adaptées à chaque flux afin de fiabiliser, en aval, la réintégration des métaux critiques dans de nouvelles cellules. « La clé, c’est la connaissance fine de la matière. Sans caractérisation précise, pas de recyclage performant. Et donc pas de retour possible de ces métaux dans de nouvelles batteries », explique Bruno Sialve.
Le défi de la pureté
L’un des principaux verrous du recyclage circulaire tient à la variabilité et à la pureté des flux issus du prétraitement. Les batteries arrivant en fin de vie présentent une hétérogénéité majeure : formats, architectures modulaires, géométries de cellules et chimies distinctes, qui complique le tri. Cette diversité se traduit, dans les fractions obtenues (notamment la black mass), par la présence résiduelle d’éléments indésirables issus des composants périphériques (collecteurs de courant en cuivre ou en aluminium, fragments métalliques issus de l’enveloppe de la batterie).
Or, même à faible teneur, ces impuretés peuvent perturber les étapes aval de raffinage hydrométallurgique : augmentation de la consommation de réactifs, réactions parasites, baisse de sélectivité dans l’extraction du lithium, du nickel ou du cobalt, et dégradation potentielle de la qualité des sels ou précurseurs produits. La maîtrise du recyclage ne repose donc pas uniquement sur la récupération des métaux d’intérêt, mais sur la capacité à caractériser finement les flux, contrôler leur pureté et stabiliser leur composition afin de garantir une réintégration industrielle conforme aux standards des nouvelles cellules.
« L’objectif est de mettre en œuvre les stratégies analytiques les plus adaptées aux enjeux du recyclage. Ce que l’on développe ici pourra s’appliquer à d’autres gisements complexes riches en métaux », entrevoit le chercheur.
Une mécanique collaborative
Le fonctionnement du projet repose sur une chaîne de compétences clairement séquencée, avec des allers-retours itératifs entre les trois partenaires. L’industriel MTB Recycling intervient en amont avec le prétraitement des batteries en fin de vie (démantèlement, broyage, séparation mécanique…) pour produire différents flux de matières premières secondaires, dont la black mass.
Ces flux sont ensuite caractérisés finement par le laboratoire DEEP, qui développe des protocoles analytiques permettant d’identifier et de quantifier précisément les éléments chimiques (à l’échelle élémentaire) compris dans les matériaux d’intérêt et les impuretés. En parallèle, le laboratoire MatéIS analyse la structure et les propriétés des matériaux récupérés à l’échelle des poudres afin d’évaluer leur aptitude à être réintégrés dans de nouvelles cellules. Les résultats sont enfin réinjectés vers l’échelle industrielle pour ajuster les paramètres du procédé, dans une logique d’amélioration continue visant à fiabiliser la qualité des flux et sécuriser la réincorporation des métaux critiques.
« L’enjeu du projet, c’est d’analyser tous les flux de sortie du procédé, en lien avec les flux d’entrée, détaille Bruno Sialve. On réalise des bilans matière complets, de l’entrée à la sortie, pour vérifier que tout est correctement orienté vers la bonne filière de valorisation. »
Une plateforme pilote pour d’autres gisements
LabBatteriesVertes ne se limite pas aux batteries en fin de vie. Les équipes travaillent aussi sur les « scraps », des rebuts de production issus des usines de fabrication des batteries neuves (les « gigafactories »). Il s’agit du plus gros volume de déchets de batterie à traiter à ce jour, leur durée de vie se révélant plus étendue que prévue notamment grâce au marché du réemploi qui se développe. Une façon d’intervenir en amont, là où l’économie circulaire peut être la plus efficace. « Ce que nous développons ici sera transposable à d’autres gisements riches en métaux, insiste Bruno Sialve. La batterie est un cas d’école, mais la démarche méthodologique pourra s’appliquer à d’autres déchets complexes. »
Au-delà de la conformité réglementaire, le projet ambitionne donc de structurer une filière. En renforçant la traçabilité des flux, en documentant précisément la composition des matières secondaires, il facilite leur réintégration chez les affineurs et fabricants d’électrodes. Au fond, LabBatteriesVertes ne travaille pas seulement sur des flux de matière. Il participe à redessiner les conditions d’une industrie européenne moins dépendante car circulaire et plus maîtrisée.
[1] DEEP - Déchets, Eaux, Environnement, Pollutions - UR 7429, sous la tutelle de l’INSA Lyon. Bruno Sialve et Nathalie Dumont
[2] MatéIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510, sous la tutelle de l’INSA Lyon, de l’Université Claude Bernard Lyon 1 et du CNRS. Eric Maire.
