Recyclage des batteries lithium-ion : le plasma et l’acide citrique comme alternative

Des chercheurs de l’Université Rice aux États-Unis ont mis au point une technique de recyclage des batteries lithium-ion utilisant du plasma induit par micro-ondes et de l’acide citrique. Leur méthode, publiée dans Advanced Materials, permet de récupérer près de 95 % des métaux précieux tout en régénérant le graphite, offrant une approche moins énergivore que les procédés industriels actuels.

Alors que moins de 10 % des batteries lithium-ion usagées connaissent aujourd’hui une seconde vie, une équipe de l’Université Rice propose une approche qui pourrait modifier les perspectives du secteur. Leur méthode combine une technologie de plasma induit par micro-ondes avec un agent de dissolution aussi banal que l’acide citrique, celui que l’on trouve dans les agrumes.

Un prétraitement par plasma

Le cœur de l’innovation réside dans une étape de prétraitement de quinze minutes seulement. Les déchets de batteries broyés, communément appelés masse noire, sont exposés à un plasma généré par micro-ondes. Une brève exposition provoque la décomposition des particules d’oxydes métalliques, modifiant leur structure et les rendant considérablement plus réactives.

« Avec le prétraitement par plasma, près de 95 % des métaux, y compris le lithium, peuvent être récupérés à partir de la masse noire des batteries en n’utilisant rien de plus agressif que l’acide contenu dans un citron », explique Gautam Chandrasekhar, doctorant au département de science des matériaux et de nano-ingénierie de Rice et premier auteur de l’étude.

Après ce traitement, le matériau est placé dans un bain d’acide citrique à température ambiante. Plus de 90 % des métaux stratégiques – cobalt, nickel, manganèse – sont alors extraits. Le lithium fait l’objet d’une récupération sélective dans l’eau. Mais l’avancée ne s’arrête pas là : le procédé régénère également le graphite, le composant le plus volumineux des batteries lithium-ion, sous une forme directement réutilisable comme anode.

Une réponse à l’urgence environnementale

Le contexte justifie pleinement ces recherches. Les protocoles de recyclage actuels présentent plusieurs limitations. Ils reposent généralement sur des températures élevées et des acides forts, consommant beaucoup d’énergie et générant des déchets chimiques. Leurs taux de récupération restent inégaux, particulièrement pour le lithium et le graphite, ce dernier étant rarement restauré à une qualité suffisante pour une nouvelle utilisation dans des batteries.

Sohini Bhattacharyya, chercheuse scientifique dans le groupe de Pulickel Ajayan à Rice et auteure correspondante de l’étude, précise l’objectif : « Nous avons émis l’hypothèse qu’utiliser un plasma induit par micro-ondes pour décomposer les particules d’oxyde métallique comme étape de prétraitement faciliterait leur récupération hydrométallurgique dans des acides plus faibles. »

Dans une logique d’intégration industrielle, l’équipe a conçu son procédé pour qu’il puisse s’insérer dans les chaînes de traitement existantes, avec une étape de prétraitement unique qui simplifie considérablement les opérations ultérieures.

Perspectives économiques et commerciales

La technologie, déjà brevetée, fait actuellement l’objet d’efforts de commercialisation. Une analyse technico-économique préliminaire suggère que leur méthode pourrait présenter des avantages compétitifs par rapport aux techniques conventionnelles. La capacité à régénérer le graphite de qualité batterie constitue un atout majeur, car ce matériau représente une part significative du coût et du volume des cellules lithium-ion.

Cette étude s’ajoute à une série de travaux sur le recyclage menés à l’Université Rice. En novembre dernier, la même institution avait publié une méthode électrochimique distincte pour récupérer l’hydroxyde de lithium des batteries usagées. Ces recherches multiples reflètent l’intensification des efforts académiques face à un défi industriel et environnemental croissant.

La demande en batteries lithium-ion connaît une expansion sans précédent, portée par le développement des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie stationnaire. Dans ce contexte, des procédés de recyclage efficaces et évolutifs deviennent une nécessité stratégique. Ils pourraient réduire la dépendance aux chaînes d’approvisionnement minières pour les minéraux critiques, tout en limitant l’impact environnemental des déchets électroniques.

La méthode développée à Rice ouvre ainsi une voie intéressante, celle d’un recyclage moins énergivore, utilisant des réactifs moins agressifs, tout en améliorant les taux de récupération des matériaux les plus précieux.