ElectroLiRecycling

La transition énergétique repose notamment sur le développement des énergies renouvelables et de solutions de stockage adaptées à leur caractère intermittent. Les batteries lithium-ion occupent ainsi une place centrale dans le stockage de l’énergie et la mobilité électrique, avec une utilisation croissante. Leur production nécessite des matières premières telles que le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse et le graphite, principalement issues de ressources primaires. Dans ce contexte, le recyclage des batteries constitue un levier pour contribuer à répondre aux besoins futurs en matières premières.

Les procédés hydrométallurgiques se développent en complément de la pyrométallurgie. L’électrodialyse apparaît comme une technologie pertinente pour extraire et concentrer sélectivement le lithium à partir des solutions issues de la lixiviation des batteries usagées. Le principal verrou technique concerne la précipitation des cations divalents dans les membranes et la diminution du courant limite, nécessitant une surveillance adaptée du procédé.

Le projet vise à étudier la pertinence de l’électrodialyse pour récupérer et concentrer sélectivement le lithium issu du recyclage des batteries lithium-ion usagées. Il s’agit notamment de séparer le lithium vis-à-vis du nickel, cobalt et manganèse présents dans les solutions issues de la lixiviation de la blackmass, afin d’obtenir un concentré de lithium suffisamment pur et de produire des sels de lithium de haute qualité.

Sur le plan technique, le projet cherche à voir comment intégrer l’électrodialyse dans les procédés hydrométallurgiques de recyclage des batteries lithium-ion mis en œuvre actuellement (reposant sur l’utilisation d’acide sulfurique comme agent de lixiviation), et également à identifier les conditions permettant de limiter la précipitation des cations divalents dans les membranes et de maîtriser le courant limite au cours de l’électrodialyse. Cette approche contribue ainsi à améliorer la récupération des matières premières contenues dans les batteries usagées.

Les opérations unitaires classiquement utilisées en hydrométallurgie pour la production de sels métalliques ou de métaux de haute pureté sont la lixiviation, l’extraction liquide-liquide ou solide-liquide, la précipitation, la cristallisation et l’électrolyse. Depuis quelques années, des travaux de recherche visent à évaluer l’intégration de nouvelles chimies et d’autres opérations unitaires, notamment celles reposant sur des technologies (électro)membranaires telles que l’électrolyse membranaire ou l’électrodialyse.

Le projet a donc débuté par une recherche bibliographique visant à dresser un état de l’art de l’utilisation de l’électrodialyse dans les procédés hydrométallurgiques pour la production de lithium et le recyclage des batteries lithium-ion. Nous avons ensuite étudié les performances de l’électrodialyse utilisant des membranes sélectives au lithium afin d’évaluer sa faisabilité technique et d’identifier les principaux enjeux liés à l’intégration de cette technologie dans les procédés hydrométallurgiques de traitement des concentrés métalliques issus de batteries lithium-ion usagées.

Pour cette étude, nous avons choisi de travailler avec des jus de lixiviation issus d’électrodes NMC modèles, afin de mieux contrôler les paramètres expérimentaux et de nous focaliser sur les milieux sulfates, qui sont représentatifs des jus de lixiviation obtenus par attaque des concentrés métalliques à l’acide sulfurique. Ces essais nous ont permis d’identifier les principales difficultés à lever et de proposer un schéma de procédé global intégrant l’électrodialyse. Une analyse critique de ce schéma a ensuite été réalisée afin d’identifier des pistes d’amélioration.

Ce travail démontre que l'électrodialyse est une technologie prometteuse dans les procédés hydrométallurgiques de recyclage des batteries lithium-ion, permettant d'extraire sélectivement le lithium des solutions de lixiviation en milieu sulfurique contenant cobalt, nickel et manganèse. Cependant, la présence de cations divalents réduit significativement le courant limite et provoque des précipitations d'hydroxydes métalliques dans les membranes. Pour surmonter ces difficultés, un schéma de procédé intégré inluant une résine échangeuse d'ions en amont permet d'éliminer partiellement les cations divalents, améliorant ainsi l'efficacité faradique et la permsélectivité tout en évitant les phénomènes de précipitation dans les membranes responsables de colmatage des membranes. 

Ce projet a permis de montrer les limites de l’électrodialyse en milieu sulfurique pour le recyclage des batteries lithium-ion et d’identifier les enjeux à lever. Cela a conduit à imaginer une nouvelle stratégie d’intégration de l’électrodialyse dans ces procédés hydrométallurgiques qui a donné lieu à un financement par le PEPR Recyclage-Axe LULABAT. Les résultats de ces nouveaux travaux sont actuellement évalués pour le dépôt d’un brevet et une étape de prématuration par le CNRS.

Articles

• S.  Gmar, A. Chagnes, “Recent advances on electrodialysis for the recovery of lithium from primary and secondary resources”, Hydrometallurgy 189, 105124 (2019).

• S. Gmar, A. Chagnes, F. Lutin, L. Muhr, "Application of electrodialysis for the selective lithium extraction towards cobalt, nickel and manganese from leach solutions containing high divalent cations/Li ratio”, Recycling 7, 14, 12 pages (2022).

• S. Gmar, L. Muhr, F. Lutin, A. Chagnes, "Lithium-ion battery recycling: metal recovery from electrolyte and 
  cathode materials by electrodialysis", Metals 12, 1859 (2022).

• A. Chagnes, S. Gmar, L. Muhr, "Application of Electrodialysis for the Selective Lithium Extraction from spent lithium-ion batteries”, International Mineral Processing Congress - IMPC 2024 (Washington, USA, 29 Sept.-3 Octobre 2024), p. 3235-3239 (2024) –ISBN: 978-0-87335-518-6.

Communications orales

• A. Chagnes, S. Gmar, L. Muhr, International Mineral Processing Congress - IMPC 2024, 29 Septembre-3 Octobre 2024 (Washington, USA), "Application of Electrodialysis for the Selective Lithium Extraction from spent lithium-ion batteries”.

• A. Chagnes, S. Baddre Eddine, S. Gmar, L. Muhr, CIRSET 2025, Nancy (France), “Optimizing Lithium Recovery: The Synergy of Electrodialysis and Organic Acids in Battery Recycling Processes”.

• S. Gmar, A. Chagnes, L. Muhr, GDR Promethee, 15-16 Juin 2023 (Nimes, France), "Recyclage des batteries lithium-ion: récupération sélective du lithium dans les matériaux cathodiques à l’aide d’un procédé mettant en jeu des étapes d'échange d'ions et d'électrodialyse"

• L. Muhr, S. Badre-Eddine, S. Gmar, L. Cimarelli, A. Chagnes, Webminaire du GDR Prométhée, 20 Novembre 2025, "Procédés électromembranaires pour le recyclage des matériaux cathodiques des batteries lithium-ion : analyse du potentiel de différentes architectures".

• Début de projet : 2019

• Durée : 24 mois

• Montant total du projet :  226 625.00 €

• Montant de l’aide ADEME : 120 477.00 €