[INFRA+] Plateforme STEVAL : montée en échelle pour le recyclage des batteries au lithium

La STation Expérimentale de VALorisation des matières premières et des substances résiduaires (STEVAL) est une usine pilote forte de 3000 m² de surface de travail modulable et plus de 150 équipements permettant de travailler aux échelles labo et pilote et de traiter jusqu’à 400 kg/h de minerai en continu. Forts de cette infrastructure unique en Europe, l’équipe VALO, qui est en charge de cette plateforme expérimentale du laboratoire GeoRessources (UMR 7359), peut s’inscrire dans les projets de recherche académiques et industriels qui font l’actualité, en permettant notamment de réaliser des projets de montée en échelle sur des procédés innovants de valorisation des matières premières et recyclage.

Le domaine de la valorisation des matières premières minérales et secondaires (résiduaires de procédés existants ou recyclage de matières transformées) couvre l’ensemble des étapes de traitement de la matière incluant : concassage, broyage, classification, séparations physiques (magnétique, gravitaire) et physico-chimiques (flottation) associées pour former des circuits de traitement complexes.

En novembre dernier, un circuit pilote de flottation a été mis en œuvre pour monter en échelle sur la séparation par flottation des composants de la black mass issue du broyage des batteries lithium-ion. Ce procédé, composé de trois étapes de flottation dont les paramètres ont été choisis et optimisés en amont à échelle laboratoire, a permis de traiter une tonne de black mass.

• La flottation est un procédé de séparation physico-chimique en voie humide qui repose sur les propriétés de surface (hydrophobicité), naturelles ou induites, de la matière suspension, donnant lieu à un système complexe eau-air-particule. Les particules hydrophobes s’attachent aux bulles d’air et sont flottées, tandis que la matière hydrophile reste en suspension.
• La black mass est la matière issue du broyage des batteries au lithium. Après des étapes de séparation physique (classification, séparation magnétique), elle contient majoritairement des particules de graphite (matière active de l’anode) et des métaux d’intérêt (matières actives de cathode), ainsi que des éléments résiduels tels que des feuillets de cuivre, d’aluminium, des particules de boîtier ou encore des éléments de sécurité innovants (fibres de verre, film plastique de sécurité, …).

Ce projet ambitieux donne une nouvelle dimension à ce type de procédé encore non industrialisé dans le cadre du recyclage des batteries. L’application de la flottation dans les circuits de valorisation de la black mass vise à réduire la quantité de matière envoyée en traitement aval, en hydrométallurgie, où les volumes des réacteurs, les quantités d’effluents organiques et de boues résiduelles (masses mortes) émises pourraient être réduits.

Cette expérience a également permis à la plateforme d’acquérir de nouveaux équipements afin d’assurer la sécurité des personnels lors de la mise en œuvre du pilote. En effet, la black mass présente un risque pour la santé en raison de la présence de métaux lourds (Ni, Co) réduits en fine poudre (80 % des particules sont de taille inférieure à 20 µm) et la présence de fibres de verre. L’équipe s’est donc dotée d’une cabine étanche et d’un gerbeur piloté à distance afin de limiter au maximum le contact entre les agents et la matière en poudre sèche. Des améliorations sont prévues sur cette installation pour l’utiliser dans d’autres projets de pilotage.

Ce projet a été porté par Anna VANDERBRUGGEN, maître de conférences spécialisée en recyclage des batteries et valorisation du graphite anodique, en collaboration avec Nicolas COPPEY et Romain CHANE KI CHUNE, respectivement responsable et chargé de projet R&D à la Société Nouvelle d’Affinage des Métaux (SNAM), société spécialisée dans le recyclage des batteries. L’ensemble de l’équipe technique de l’équipe VALO a été mobilisée pour le pilote. Les essais préliminaires qui ont permis de dimensionner le pilote (taux de solide en pulpe, dosages en réactifs, nombre d’étapes de flottation, …) ont été réalisés en 2024-2025 par Amélia NIETO, alors ingénieure d’études dans l’équipe VALO, accompagnée par des étudiants de master de l’Ecole Nationale Supérieure de Géologie (ENSG), Valentine BLUMSTEIN et Eliott BETEND, sous la supervision d’Anna VANDERBRUGGEN.

Amélia NIETO poursuit les efforts de recherche sur la thématique de séparation physique et physico-chimique des composants de la black mass dans sa thèse commencée en novembre 2025 au sein de l’équipe VALO. Elle continue en particulier de travailler sur la matière utilisée lors du pilote du 27 novembre dernier.