FIN OCTOBRE 2019, un incendie s'est déclaré dans une installation de recyclage à Scottsdale, en Arizona. L'incendie a consumé un site de 40 000 pieds carrés et des vents de 60 milles à l'heure ont soufflé un énorme panache de fumée sur une autoroute voisine, forçant les autorités locales à fermer la route. Il a fallu attendre le lendemain les pompiers pour éteindre les flammes. Dans la foulée, la société qui exploitait le site a dû suspendre la collecte dans les villes voisines; l'enceinte brûlée avait été équipée pour traiter 85 000 tonnes de déchets par an, et maintenant ces déchets n'avaient nulle part où aller sauf une décharge.
Le coupable? Une batterie lithium-ion comme celles que l'on trouve dans les téléphones et les ordinateurs portables. Bien que ces cellules hyperefficaces soient généralement sûres, elles continuent à stocker de l'énergie volatile même après leur mort, ce qui signifie qu'une élimination négligente peut provoquer des explosions et des incendies. Un rapport de 2021 de l'Environmental Protection Agency a trouvé des archives publiques de telles conflagrations dans 28 États entre 2013 et 2020, et a signalé une installation qui en avait eu plus d'une douzaine en une seule année. Le risque ne fera que croître :le marché mondial du lithium devrait être multiplié par 20 d'ici 2030, selon une estimation du cabinet d'études Rystad Energy.
Le fait que tant de batteries finissent dans des tas de ferraille pose un problème encore plus profond pour la transition des combustibles fossiles. Leur contenu est un élément clé des véhicules électriques, mais les métaux qu'ils contiennent (lithium, cobalt et nickel) sont de plus en plus difficiles à obtenir et ne proviennent souvent que de quelques pays. Pour alimenter la prochaine génération de véhicules électriques, il faudra extraire des milliers de tonnes de lithium et de cobalt des salines et des gisements de minerai du monde entier, un processus aussi destructeur pour l'environnement que coûteux.
"Nous devrions essayer de recycler tout ce que nous pouvons, mais dans le cas des batteries, c'est devenu encore plus important", déclare Fengqi You, professeur d'ingénierie à l'Université Cornell qui étudie les cycles de vie d'éléments comme le lithium dans les systèmes énergétiques. Vous soulignez que notre industrie nationale des véhicules électriques dépend du lithium qui est extrait et raffiné dans des pays du monde entier, ce qui nous donne peu de contrôle national sur la production de matériaux essentiels. Si quelque chose arrive à la chaîne d'approvisionnement mondiale, notre accès à ces métaux précieux est perturbé, ce qui retarde les efforts pour se tourner vers les technologies vertes.
La bonne nouvelle, cependant, est que les morts peuvent ressusciter. Les métaux clés contenus dans les vieilles batteries comme celle qui a déclenché l'incendie de Scottsdale sont mûrs pour être extraits et réinjectés dans la chaîne d'approvisionnement. Avec la bonne infrastructure, nous pourrions réduire considérablement la quantité d'extraction nécessaire pour fournir du métal aux nouvelles cellules, tout en réduisant le risque de véritables incendies de bennes à ordures.
Alors que les véhicules électriques décollent aux États-Unis, une poignée de startups s'efforcent de faire exactement cela. L'un des plus avancés, Ascend Elements, ouvre cet été une énorme installation de recyclage de batteries en Géorgie où il récupérera du lithium, du cobalt et du nickel, et ses concurrents ne sont pas loin derrière. Ensemble, ces entreprises se précipitent pour se développer avant que la première génération complète de véhicules électriques ne soit mise au rebut. Leurs efforts ont le potentiel de boucler la boucle, créant un système moins dépendant des combustibles fossiles et de l'exploitation minière inutile.
BRITANNIQUE-AMÉRICAIN Le chimiste M. Stanley Whittingham a décrit le premier cadre conceptuel d'une batterie lithium-ion rechargeable à la fin des années 1970, remportant un prix Nobel pour ses efforts en 2019. Des entités de la NASA à l'Université d'Oxford ont développé sa technologie de base au cours de la prochaine décennie. Mais le concept n'est devenu commercial qu'en 1991, lorsque Sony a commencé à utiliser les cellules pour augmenter la durée de vie de ses caméscopes. La densité d'énergie que ces batteries peuvent contenir a presque triplé depuis lors, et le prix de leur production a chuté de plus de 97 % au cours de la même période, passant d'environ 7 500 $ en 1991 à moins de 200 $ en 2018.
Toutes les batteries fonctionnent en stockant de l'énergie chimique et en la convertissant en électricité. Une cellule ordinaire contient différents métaux conducteurs dans deux bornes :l'anode, ou côté négatif, et la cathode, ou côté positif. Ces deux composants sont séparés par un milieu chimique appelé électrolyte. Lorsque vous allumez un appareil, les électrons refoulés dans l'anode sortent de la cellule, traversent un circuit et se dirigent vers la cathode, attirés par sa charge positive. Le mouvement des électrons à travers le circuit est ce qui génère du jus.
Dans une batterie ordinaire, il n'y a aucun moyen d'inverser ce processus. Quand suffisamment d'électrons refoulés ont quitté l'anode, le tout meurt. Les batteries lithium-ion, en revanche, ont une durée de vie beaucoup plus longue grâce à leur élément titulaire, qui est l'un des métaux les plus légers et les plus réactifs du tableau périodique. Dans un état non chargé, un tas d'atomes de lithium traînent dans la cathode. Lorsque vous branchez votre appareil sur une source d'alimentation, ces atomes de lithium réactifs cèdent rapidement leurs électrons, qui se déplacent à travers le circuit externe avant de s'immobiliser dans l'anode. Le principal avantage est que ces électrons partants laissent derrière eux des ions lithium chargés positivement, qui sont ensuite attirés par la charge négative de la source d'alimentation à travers l'électrolyte vers l'anode, où ils sont piégés. Lorsque vous débranchez votre appareil de la source d'alimentation et que vous l'allumez, le processus s'inverse. Les ions lithium naturellement instables reviennent à travers l'électrolyte pour retourner à la cathode, tandis que les électrons se déplacent pour les rejoindre, générant de l'électricité en cours de route. Les électrons et les ions traînent maintenant dans la cathode jusqu'à la prochaine charge de la batterie.
La structure de cette cathode métallique est essentielle à la longévité de la batterie :elle fonctionne comme une lasagne atomique de métaux comme le nickel et le cobalt, avec des couches suffisamment fines pour que les ions lithium et les électrons soient piégés entre eux. Cependant, au fur et à mesure que les ions se déplacent dans la batterie, ils déforment cette lasagne, provoquant le gonflement et la fissuration de l'architecture atomique. Chaque cycle de charge provoque un certain nombre d'autres réactions chimiques incontrôlées qui dégradent la batterie au fil du temps, tout comme notre propre corps se dégrade au cours du vieillissement normal. Vous ne pouvez généralement pas voir cette décomposition à l'œil nu, mais au cours de quelques années, la cellule de puissance a plus de mal à déplacer l'énergie. La batterie lithium-ion moyenne est bonne pour quelques milliers de cycles de charge avant de commencer à dépérir. (Même alors, la batterie conserve sa charge, ce qui la rend si inflammable lorsqu'elle moisit.)
La croissance rapide de l'industrie des véhicules électriques a créé une augmentation de la demande pour les métaux qui rendent tout cela possible, y compris le lithium titulaire. Le résultat a été un boom minier dans certains des pays possédant des gisements importants, comme la Chine, le Chili et l'Australie. La production mondiale a triplé, passant de 31 000 tonnes par an en 2010 à 110 000 en 2021. Mais avec une croissance d'environ 20 % du marché mondial des véhicules électriques chaque année, la demande augmente beaucoup trop rapidement pour qu'un producteur puisse suivre le rythme. L'Agence internationale de l'énergie prévoit que la production annuelle de lithium pourrait être inférieure à la demande de près de 2 millions de tonnes d'ici 2030. Et alors qu'au moins trois ou quatre continents ont le potentiel d'exploiter le métal, presque toutes les raffineries et usines de batteries sont en Chine, ce qui entraîne un goulot d'étranglement classique. Si la capacité n'augmente pas, selon la société de recherche Rystad Energy, le prix du matériau pourrait tripler d'ici la fin de la décennie.
La hausse de la demande entraîne également des coûts environnementaux plus élevés. Les entreprises utilisent des dizaines de milliards de gallons d'eau par an pour pomper le métal hors du sol, épuisant les ressources dans des pays déjà desséchés comme le Chili. Il y a eu plusieurs rapports de mortalités de poissons et d'épuisement ou de contamination de l'eau douce près des mines de lithium au Tibet, en Argentine et aux États-Unis.
Tous ces facteurs renforcent les arguments en faveur du recyclage. Au cours de leurs premières décennies sur le marché, les batteries lithium-ion n'étaient pas assez précieuses pour que quiconque se donne la peine de transformer celles qui étaient usagées en nouveau matériau, mais quelques organisations ont tout de même essayé de les garder hors des décharges, notamment Call2Recycle, Inc. Fondée et financée par les principaux fabricants de batteries dans les années 1990 dans l'espoir d'atténuer les risques environnementaux (et la responsabilité légale) posés par leurs produits, l'organisation à but non lucratif a depuis lancé un programme de collecte qui tire les déchets de trois sources principales :les centres de réparation, les décharges municipales, et un réseau de 16 000 boîtes de dépôt ouvertes au public à travers les États-Unis. L'année dernière, il a collecté plus de 8 millions de livres de cellules jetées.
«Lorsque nous avons commencé, la chimie prédominante des batteries était le nickel-cadmium», explique Eric Frederickson, directeur général des opérations du programme, faisant référence à un type de cellule souvent utilisé dans les outils électriques volumineux mais portables. Maintenant, dit-il, "l'ion lithium est la plus grande chimie des batteries que nous collectons."
Pendant plusieurs années, la capacité américaine de recyclage du lithium était si faible que Call2Recycle a dû expédier son butin à l'étranger. Maintenant, cependant, il y a un nouveau client sur la scène, qui promet de transformer ces rebuts en ingrédients pour de toutes nouvelles cellules électriques EV.
MONTER LES ÉLÉMENTS' centre de recherche et développement se trouve dans un parc de bureaux quelconque juste à l'extérieur de Worcester, dans le Massachusetts. Si vous vous teniez à l'extérieur, vous devineriez probablement que tout le monde à l'intérieur passe ses journées à taper sur des ordinateurs. La réalité est un peu plus compliquée :la réception mène à un entrepôt où l'entreprise a peaufiné son processus de recyclage des batteries lithium-ion et s'est préparée à l'étendre.
Le système d'Ascend est basé sur la propre tournure de l'entreprise sur un processus appelé hydrométallurgie, qui consiste à dissoudre des métaux broyés dans une solution chimique et à les lixivier à nouveau dans des solides. Il s'agit d'une amélioration par rapport à une technique plus ancienne et moins élégante connue sous le nom de pyrométallurgie, qui nécessite de fondre des batteries et de séparer les composants surchauffés, créant des gaz toxiques comme les dioxines et les furanes.
Après m'avoir remis une paire de lunettes de sécurité, le co-fondateur et directeur de la technologie d'Ascend, Eric Gratz, me montre les travaux. Criant par-dessus le gémissement constant d'un générateur, il m'introduit dans un espace à haut plafond dominé par une douzaine de réservoirs et de machines interconnectés. Il y a trois cuves en acier qui nous dominent, une paire d'engins de 10 pieds de long qui ressemblent à des accordéons, et un ensemble de plusieurs réservoirs plus petits reliés par des tuyaux et des tubes.
Dans l'ensemble, dit Gratz, les machines fonctionnent comme une cafetière à piston géante. Ascend achète des batteries mortes à des collectionneurs comme Call2Recycle ou à des fabricants de véhicules électriques, puis les broie dans une déchiqueteuse à dents fines. Le résidu arrive à l'usine de Worcester sous la forme d'une poudre noire - "masse noire", dans le langage de l'industrie - qui remplace les haricots java dans ce breuvage chimique. L'objectif est de liquéfier le métal mort, d'éliminer les impuretés comme le plastique et les métaux indésirables, de modifier sa structure chimique, puis de le condenser en poudre afin qu'il puisse être utilisé pour une nouvelle fabrication.
Gratz me conduit d'abord au trio de cuves, derrière lesquelles se trouve une trémie contenant les batteries déchiquetées. La première étape consiste à canaliser la masse noire dans les cuves, où elle se dissout dans un mélange chimique exclusif, desserrant la structure atomique du lithium, du nickel et du cobalt à l'intérieur. Cette partie n'est pas si difficile. L'astuce consiste à le transformer à nouveau en poudre.
Ascend veut produire du matériel pour de nouvelles cathodes - le côté positif de la batterie - car c'est le plus difficile à trouver. Mais comme les batteries pulvérisées contiennent plusieurs métaux différents, dont certains ne sont pas utiles, Ascend doit d'abord séparer ceux dont il n'a pas besoin. Sur la pointe des pieds autour des techniciens de laboratoire alors qu'ils s'affairent d'avant en arrière, nous atteignons les machines en forme d'accordéon. Ceux-ci pompent la bouillie de masse noire à travers un ensemble de panneaux filtrants pour filtrer les solides non pertinents, l'équivalent de pousser les sols dans une presse française. Des fragments de graphite et de cuivre collent aux filtres, laissant des taches noires et jaune verdâtre; Ascend plus tard les emballe et les vend aux recycleurs traditionnels.
L'étape suivante consiste à séparer le mélange restant en deux composants clés :le lithium et un mélange de nickel, de cobalt et de manganèse. La méthode exacte par laquelle Ascend le fait est exclusive - une partie de ce qui sépare l'entreprise de ses concurrents - mais Gratz permet qu'elle tire parti de la chimie unique du lithium. Alors que la plupart des métaux sont plus susceptibles de se dissoudre lorsqu'ils sont chauffés, le lithium est moins soluble à des températures plus élevées. Cela signifie que l'équipe peut isoler le métal le plus important en chauffant le mélange. Les granules qui en résultent ressemblent beaucoup au sel que vous conserveriez dans un shaker ordinaire.
Ensuite, ils précipitent la masse noire en poudre, un autre processus propriétaire, celui-ci se déroulant dans un ensemble de machines qui ressemblent à des droïdes d'ancienne génération de Star Wars – de grands trapèzes carrés avec de petits gribouillis sur le dessus. L'équipe d'Ascend peut ajuster les concentrations de nickel et de cobalt dans chaque lot aux spécifications des acheteurs :une batterie avec plus de nickel, par exemple, a une durée de vie plus courte mais peut contenir plus d'énergie, ce qui la rend idéale pour les véhicules qui doivent voyager. des centaines de kilomètres. Une fois qu'un mélangeur recombine la poudre avec le lithium extrait, le produit final ressemble à celui qui est entré, comme en témoignent les pots avant et après que Gratz me tend. Mais la structure moléculaire de la poudre recyclée est rajeunie, prête à stocker à nouveau des ions lithium hyperréactifs.
Le procédé est remarquablement efficace :Ascend récupère 98 % des métaux les plus chers, le nickel et le cobalt. Pour le lithium, dit Gratz, ce chiffre est plutôt de 80 %. La poudre noire qui sort de l'usine est littéralement prête à rouler. Les fabricants de batteries pulvérisent généralement la substance sur du papier d'aluminium et roulent ou plient le matériau dans des cellules de batterie neuves.
COMPLIQUE COMME L'opération d'Ascend à Worcester peut sembler, ce n'est qu'un prototype pour une usine de recyclage de batteries de 154 000 pieds carrés qui devrait ouvrir près d'Atlanta à l'été 2022. L'opération se situera au carrefour d'un boom des véhicules électriques dans le sud-est des États-Unis. Volkswagen lancera bientôt une division de véhicules électriques dans son usine de Chattanooga, dans le Tennessee, et Ford construit une usine d'assemblage et plusieurs usines de batteries, notamment dans le Kentucky et le Tennessee. L'installation d'Ascend ne démarrera pas avant quelques mois, mais des fabricants comme SK Battery America, qui aide à alimenter des poids lourds comme Ford et Volkswagen, ont déjà commencé à expédier des palettes de déchets de fabrication. Il s'accumule par tonnes, n'attendant que de prendre la route.
Lorsqu'elle sera opérationnelle, l'usine d'Ascend en Géorgie pourra transformer environ 33 000 tonnes de batteries mortes et d'autres déchets par an, ce qui produira suffisamment de métal recyclé pour alimenter jusqu'à 70 000 véhicules électriques. Les constructeurs automobiles pourront signer un simple contrat à sens unique pour acheter le matériau reconstitué à partir de cellules EV mortes, explique le vice-président du marketing Roger Lin, ou ils pourraient conclure un accord à double sens pour fournir les déchets excédentaires de leurs usines et les obtenir de retour sous une forme ravivée. Ascend pourrait également récupérer les batteries déchargées des constructeurs automobiles, puis créer de nouveaux matériaux pour tous ceux qui le souhaitent.
Le PDG d'Ascend, Mike O'Kronley, est convaincu que les anciennes batteries de véhicules électriques dont dépendra son usine ne finiront pas comme autant de téléphones portables oubliés cachés dans des tiroirs. "Une batterie de VE équivaut à mille de téléphones portables", dit-il. "C'est beaucoup plus facile à collecter et à transporter vers un centre de recyclage." Selon lui, les broyeurs d'automobiles et les dépotoirs sont incités à les vendre à des entreprises comme Ascend.
Bien qu'Ascend puisse avoir une longueur d'avance dans la recherche de clients, il fait face à une forte concurrence :Li-Cycle, un recycleur canadien qui construit une usine près de Rochester, New York, et Redwood Materials, une société fondée par l'ancien CTO de Tesla. Les deux entreprises développent leurs propres systèmes, en utilisant des procédés hydrométallurgiques similaires à ceux d'Ascend.
À l'heure actuelle, il n'y a pas assez de véhicules électriques mis hors service pour fournir la quantité de batteries nécessaire pour répondre à la demande de métaux récupérés. "Si nous recyclons toutes les batteries du monde, le recyclage le plus important peut représenter 20 à 30 % de la demande", déclare Ascend CTO Gratz. Tant que le nombre total de véhicules électriques sur la route continuera d'augmenter, nous devrons continuer à extraire d'importantes quantités de lithium, de cobalt et de nickel.
Cependant, Ascend mise sur le fait que la majorité de la population conduira éventuellement des véhicules électriques et remettra ses anciens pour de nouveaux modèles. "Alors", dit Gratz, "nous pouvons simplement continuer à recycler les mêmes atomes de nickel, de cobalt et de lithium encore et encore."
Cette histoire a été publiée à l'origine dans le numéro métal de l'été 2022 de PopSci, en tant que troisième d'une série en trois parties sur les batteries. Lisez la première partie et la deuxième partie ou plus d'histoires PopSci+.
