Les minéraux critiques favorisent l'innovation pour les batteries

Les tendances à la transition énergétique mondiale et à l'électrification encouragent la mobilité et l'adaptabilité électrique, notamment l'adoption de véhicules électriques (VE) et de solutions de stockage d'énergie renouvelable. Ces tendances ont amené les innovateurs industriels à se concentrer sur la technologie des batteries. Grâce à une hausse constante de la demande dans l'industrie, la production de batteries a fortement augmenté au cours des dernières décennies, avec de nouvelles sources de minéraux et une efficacité améliorée des process et technologies de fabrication. 

La combinaison de minéraux dans la composition chimique des batteries contribue à la performance globale. Différents éléments et composés sont combinés pour former les électrodes et l'électrolyte dans chaque cellule, et leurs interactions définissent les caractéristiques de la batterie. Cette page retrace le voyage des minéraux essentiels de la Terre jusqu'aux batteries qui alimentent les systèmes mobiles et électriques de plus en plus dans le monde moderne. Elle examine également les défis et les stratégies pour maintenir la stabilité de la chaîne d'approvisionnement. 

Les batteries Lithium-ion (Li-ion) sont de loin le type le plus courant dans le paysage des batteries actuel. Ces assemblages reposent sur une combinaison complexe de minéraux et de matériaux, chacun contribuant aux propriétés uniques de la batterie. Même si le lithium qui leur donne leur nom est le composant élémentaire le plus important, d'autres minéraux sont également nécessaires pour fabriquer des cellules Li-ion.

La cathode de la batterie joue à plusieurs niveaux sur la performance, notamment la densité énergétique, la puissance et la durée de vie de la cellule.

Apprécié pour sa haute densité énergétique et sa stabilité, le cobalt est couramment utilisé dans les cathodes de batteries Li-ion, notamment pour les VE. Cependant, l'exploitation minière du cobalt soulève davantage de préoccupations éthiques que la plupart des autres minéraux de batterie, ce qui oblige les fabricants de batteries à suivre les origines de leur chaîne d'approvisionnement, tout en rendant les acteurs upstream responsables de l'application de bonnes pratiques. Par exemple, l'Union européenne a mis en œuvre des règlements sur les « minéraux de conflit ». Ils visent à limiter l'utilisation des minéraux qui financent des conflits armés ou sont exploités dans des conditions contraires aux droits de l'homme.

Le nickel est également fréquemment utilisé dans les cathodes Li-ion, offrant une capacité énergétique encore plus élevée en poids et en volume. Toutefois, le nickel minier soulève des préoccupations environnementales en raison de son impact potentiel sur les écosystèmes sensibles. Ces effets peuvent inclure la déforestation, la perte d'habitat et la pollution de l'eau dans les régions océaniques d'où est principalement originaire ce minerai, comme l'Indonésie et les Philippines. C'est pour ces raisons que le constructeur américain de VE Tesla a déclaré s'éloigner dans le futur des batteries Li-ion à base de nickel.

Le manganèse est plus abondant et moins cher que le nickel et le cobalt, mais sa densité énergétique en poids ou en volume est moins importante. Cependant, sa faible densité énergétique le rend moins réactif ou sujet au feu et donc plus sûr pour une utilisation dans certains types de batteries Lithium-ion, comme celle à base de phosphate et de lithium-manganèse. En conséquence, les producteurs d'outils électriques et les autres fabricants sensibles aux coûts favorisent souvent ce minerai pour leurs batteries.

Les anodes forment l'électrode négative d'une batterie, qui est construite principalement à partir de graphite, un allotrope du carbone facilement accessible et peu coûteux. Toutefois, l'extraction de graphite soulève également des considérations environnementales, notamment la pollution potentielle par les poussières, la contamination de l'eau et la dégradation des terres. Résoudre ces problèmes est donc essentiel pour les opérations durables.

Dans certaines nouvelles batteries à haute densité, l'anode est fabriquée non pas à partir de graphite mais de silicium du fait de sa capacité à stocker davantage d'ions lithium. Pour l'industrie des VE, cela augmente la gamme et la vitesse de charge. Toutefois, la tendance du silicium à se dilater et à se contracter pendant les cycles de charge et de décharge présente un risque pour la sécurité qui doit être réduit dans la construction des cellules.

L'électrolyte entre la cathode et l'anode de la batterie facilite la circulation des ions. Il est généralement composé de sels de lithium dissous dans des solvants organiques. Le lithium hexafluorophosphate créé par réaction au fluorure de lithium avec d'autres solvants domine actuellement le marché de l'électrolyte Li-ion, mais les chercheurs enquêtent également sur des sels de lithium et des électrolytes solides.

Le lithium est particulièrement présent dans les dépôts de saumure d'Amérique du Sud et les formations de roches dures en Australie. Il est généralement extrait par des bassins d'évaporation à grande échelle ou des méthodes d'exploitation minière classiques. Les deux approches d'extraction exigent une gestion responsable afin de minimiser les risques pour les ressources en eau et les écosystèmes locaux.

Contrairement à de nombreux métaux, le lithium n'est pas raffiné dans un état métallique, mais plutôt dans des composés solubles de haute pureté tels que le carbonate de lithium ou l'hydroxyde de lithium.

L'extraction de saumure nécessite de concentrer des sels de lithium à partir de saumures souterraines à des concentrations de 200 à 1400 mg/L, généralement à l'aide de grands bassins d'évaporation. Employé à grande échelle, le process est fastidieux et gourmand en eau.

Une fois concentré, la saumure subit une série de réactions chimiques pour précipiter les composés indésirables. Cela entraîne éventuellement une cristallisation et le carbonate de lithium peut être extrait. Une surveillance rigoureuse de ces réactions et des process de filtration efficaces sont essentiels pour maximiser la récupération du lithium et minimiser les déchets.

Une autre possibilité est l'extraction directe du lithium, fournissant des moyens plus durables d'obtenir du lithium à partir de saumure sans nécessiter de bassins d'évaporation. Ce process utilise des matériaux adsorbants avec une affinité pour le lithium. Par exemple des minéraux argileux et des résines échangeuses d'ions pour recueillir des solvants riches en lithium issus de la saumure. Une fois les adsorbants saturés d'ions lithium, ils sont soumis à une désorption et la solution lithium est récupérée. Malheureusement, ce process n'est pas encore viable à l'échelle requise pour répondre à la demande commerciale en lithium.

L'exploitation de roches dures implique l'extraction de spodumène, son concassage et sa transformation en bêta-spodumène par chauffage haute température dans des fours rotatifs. L'ensemble du process consomme une grande quantité d'énergie.

Une fois le minerai converti, il subit des réactions chimiques, comme le process d'extraction de la saumure, qui élimine graduellement les impuretés. Cela continue étape par étape jusqu'à ce qu'il ne reste plus que le carbonate de lithium, avec des sous-produits mineurs à de faibles concentrations. Le composé doit être encore purifié en ajoutant une solution de bicarbonate de lithium, puis filtré et réchauffé jusqu'à ce que le carbonate de lithium atteigne la qualité requise pour la batterie. Ce niveau est appelé « cinq neufs », soit une pureté de 99,999 %.

Comme le lithium, les autres minéraux de batterie doivent être affinés pour être purs avant l'utilisation dans la fabrication de cellules de batterie. Cela nécessite généralement une série de transformations chimiques et physiques qui varient en fonction du minéral et de son application prévue. Si le raffinage du lithium nécessite plusieurs étapes de purification et de filtration, le cobalt et le nickel sont séparés par des procédés pyrométallurgiques ou hydrométallurgiques complexes.

À la suite du raffinage, les matériaux de haute pureté sont utilisés pour fabriquer des composants de batterie. Les matériaux de la cathode et de l'anode sont synthétisés par des process précis de mélange, de chauffage et de revêtement, chacun nécessitant une mesure fiable et un contrôle de qualité pour garantir une performance optimale des batteries. 

Les électrolytes sont obtenus en dissolvant soigneusement les sels de lithium dans des solvants purs, tout en limitant l'intrusion d'humidité pour éviter la dégradation de la batterie et les risques de sécurité. Ces composants convergent alors et sont disposés en couches complexes, emballés et hermétiquement scellés pour éviter les fuites et assurer la longévité.

Au cours de l'assemblage, les différentes cellules sont combinées pour former des batteries et modules, adaptées aux applications spécifiques, y compris les smartphones, les VE et les systèmes de gestion de batteries.

Le parcours des minéraux de batterie ne se termine pas à leur première utilisation. L'industrie et le public reconnaissent le caractère limité de ces ressources et l'impact environnemental résultant de leur extraction et du traitement, ce qui encourage la généralisation des principes de l'économie circulaire. Réaliser cela nécessite des efforts pour améliorer la viabilité du recyclage des batteries, qui permet de récupérer des minéraux précieux en provenance des batteries en fin de vie. Cela réduit la dépendance aux nouvelles activités minières et les vulnérabilités de la chaîne d'approvisionnement.

Avec la hausse de la demande en batteries lithium-ion, optimiser l'extraction minière, la production et le recyclage est impératif pour assurer une exploitation durable et minimiser les impacts environnementaux. Les mesures possibles comprennent la mise en œuvre de stratégies de gestion de l'eau, respectant les réglementations environnementales régionales et l'investissement par les sociétés minières et les acteurs de l'extraction directe du lithium.

La production des minéraux pour batteries illustre l'interconnection de la technologie, de l'environnement et de l'évolution sociétale. Alors que l'humanité entame une grande transition énergétique et progresse collectivement vers des objectifs neutres en carbone, l'industrie doit intégrer l'éthique, la protection de l'environnement et la rentabilité à ses stratégies de durabilité à long terme. Le succès continu exige l'avancement technologique, l'approvisionnement éthique en matières premières et la production durable globale.