Traitement des batteries lithium fer phosphate en fin de vie par hydrométallurgie

Abstract

Les batteries lithium fer phosphate (LiFePO4 ou LFP) sont largement utilisées dans les véhicules électriques, les véhicules électriques hybrides, les équipements électroniques et d’autres appareils de stockage d’énergie. Ce large éventail d’applications est dû aux caractéristiques spécifiques de la technologie LFP : faible coût, capacité de puissance élevée, longue durée de vie, faible toxicité, grande stabilité thermique, énergie de stockage prolongée, recharge rapide et haute réversibilité. Ces performances électrochimiques exceptionnelles ont contribué à la croissance fulgurante de la demande et de la production de la chimie LFP sur le marché des batteries. Cependant, ceci constitue une problématique majeure tant sur le plan environnemental qu’économique. En effet, d’une part, dans un futur proche, le nombre de batteries LFP en fin de vie explosera et si ces dernières sont directement mises en décharge ou traitées de manière inappropriée, cela constituera un sérieux danger pour le système écologique et la santé humaine : les substances toxiques (matières organiques, métaux lourds, plastiques, etc.) peuvent être solubilisées et transférées dans le sol et les eaux souterraines. D’autre part, le lithium, élément majeur des batteries LFP, est une ressource naturelle abondante, mais son extraction a lieu dans une minorité de pays et celle-ci souffre de l’inconsistance de la qualité des minerais et de coûts élevés : l’approvisionnement de ce dernier est donc risqué. Par conséquent, le recyclage est un moyen efficace pour protéger l’environnement et réduire les risques de pénurie des ressources de manière circulaire. Dans ce sens, ce travail propose la récupération de Li, Fe et P à partir d’une poudre de Black Mass (BM) LFP contaminée par de l’aluminium (Al), du cuivre (Cu) et d’autres éléments mineurs ou en traces. Pour ce faire, deux grandes phases de traitement successives ont été employées : une lixiviation acide non-sélective en absence d’oxydant/réducteur suivie d’étapes d’oxydation/précipitation. La première phase a consisté à dissoudre tous les métaux d’intérêt en utilisant de l’acide sulfurique (H2SO4) ou de l’acide phosphorique (H3PO4). A l’issu des différents essais, il a été trouvé que les rendements obtenus via la voie H2SO4 étaient les meilleurs. Sous les conditions optimales (1.05 M H2SO4, T = 22°C, P = 1 bar, [Kg/Kg] = 20 wt%, t = 120 mins, V = 450 rpm), des taux de dissolution de 90% de Li, 85% de Fe et 86% de P ont pu être atteints. Subséquemment, dans un premier temps, la phase d’oxydation/précipitation a permis de recueillir autour d’un pH 2, 99% du fer dissout sous forme de FePO4 a posteriori, en ajoutant successivement du peroxyde d’hydrogène (8 mL H2O2/200 g BM) comme oxydant et de l’hydroxyde de sodium (260 mL NaOH/200 g BM) comme agent de précipitation. Dans un second temps, Al et Cu ont pu être précipités autour d’un pH 9 sous les formes AlPO4 et Cu3(PO4)2 a posteriori, respectivement, en deux étapes successives : ajout de 35 mL NaOH/200 g BM + évaporation à 70°C pendant environ 3h ; et ajout de phosphate de sodium (100 mL Na3PO4/200g BM). Enfin, 51% du lithium dissout ont pu être récupérés autour d’un pH 12.5 sous forme de Li3PO4 a posteriori, en introduisant 930 mL Na3PO4/200g BM et en chauffant le mélange (filtrat + Na3PO4) à 70°C pendant 3h.