Optimisation du procédé de valorisation de la black mass par l'intégration d'un traitement thermique avant l'hydrométallurgie

Abstract

La demande accrue en batteries lithium-ion (BLI) entraîne une forte consommation de métaux critiques tels que le lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt, des ressources limitées et considérées comme stratégiques par l’Union européenne. Le recyclage des batteries en fin de vie constitue donc un levier essentiel pour sécuriser l’approvisionnement tout en réduisant l’impact environnemental de leur gestion. C’est dans ce contexte que ce travail propose une approche visant à optimiser la récupération des métaux valorisables contenus dans la black mass, un concentré de métaux sous forme de poudre noire, obtenu après le broyage et la séparation physique des constituants des batteries. Actuellement, l’hydrométallurgie est l’une des voies les plus prometteuses pour valoriser cette matière, car elle permet d’obtenir des métaux de haute pureté compatibles avec la réutilisation industrielle ainsi que de recycler le graphite. Ce travail propose d’intégrer un traitement thermique de la black mass sous atmosphère CO2 (pour convertir le lithium en carbonate de lithium lixiviable à l’eau) avant l’hydrométallurgie. L’objectif est d’étudier l’influence de ce traitement thermique sur la sélectivité, les rendements de récupération des métaux, la consommation de réactifs, etc. Pour ce faire, dans un premier temps, la black mass a subi un traitement thermique à différentes températures (600, 700 et 800 °C) et pour différents temps de séjour (1 h, 2 h et 4 h), sous atmosphère de CO2. De surcroît, des traitements thermiques ont été effectués sous un flux minimum d’azote (20 L/h) afin d’avoir une base de comparaison. Dans un second temps, la black mass préalablement traitée thermiquement a été soumise au procédé hydrométallurgique, consistant en une lixiviation de quatre heures à différents pH constants (pH 1, 4 et 8), maintenus grâce à l’ajout continu d’acide sulfurique (H2SO4) concentré. À titre comparatif, de la black mass non traitée a été lixiviée. Finalement, les effets des paramètres du traitement thermique et de la lixiviation sur les taux de récupération des métaux ont été analysés. Le travail expérimental a permis de suggérer une route de traitement thermique avec des conditions opératoires optimisées. La première approche consistait à traiter thermiquement la black mass à 600 °C 2 h sous une atmosphère de CO2 puis de la lixivier à pH 1 constant en ajoutant de l’acide sulfurique concentré pendant quatre heures. Cette route de traitement permet de récupérer le lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt à des taux supérieurs à 96 %, cependant, sans qu’aucune sélectivité ne soit cependant observée. Une autre route de traitement a aussi été proposée, permettant d’avoir une bonne sélectivité du lithium, mais avec un rendement plus faible (56 %). Cette deuxième approche consiste à traiter thermiquement la black mass à 700 °C 2 h sous une atmosphère de CO2 puis de la lixivier à pH 8 constant en ajoutant de l’acide sulfurique concentré durant quatre heures. Ces approches offrent des indications précises pour l’optimisation du recyclage des batteries lithium-ion, en permettant d’adapter le procédé selon que l’objectif soit l’efficacité globale ou la récupération ciblée de métaux critiques. Finalement, ce travail propose des pistes concrètes pour optimiser le recyclage des métaux critiques et renforcer la durabilité des chaînes d’approvisionnement, en conciliant performance, sélectivité et responsabilité environnementale.