Recyclage des déchets de lithium mis au rebut grâce à la technologie de biominéralisation, le même principe que celui utilisé pour fabriquer les coquillages.
Chlorella récupère 90 % des eaux usées contenant du lithium, réduisant ainsi les coûts d'un tiers.
– Des tests de validation de concept sont en cours à Gwangyang… Production de masse prévue pour 2027, introduction en bourse prévue pour 2030.
Le carbonate de lithium est un matériau de cathode essentiel utilisé dans les batteries lithium-ion pour véhicules électriques, appareils électroménagers et dispositifs informatiques. Il entre également dans la composition de produits pharmaceutiques, de verres spéciaux et de verres optiques. Le carbonate de lithium est produit à partir de mines ou de lacs salés (lacs salés concentrés). Le minerai extrait est chauffé et broyé, mélangé à de l'acide sulfurique, puis débarrassé de ses impuretés. Après échange d'ions et concentration, du carbone est ajouté pour précipiter le lithium. L'étape suivante consiste en une filtration, un lavage et un séchage pour extraire le carbonate de lithium. La saumure extraite du lac salé est ensuite concentrée pour en extraire le lithium, de la chaux est ajoutée pour éliminer les impuretés, et du carbonate est ajouté pour récupérer le carbonate de lithium.
Même après l'extraction du carbonate de lithium, il subsiste du lithium en faible concentration. On parle alors de lithium en faible concentration ou de déchets de lithium. Pour extraire à nouveau du carbonate de lithium, il faut répéter le processus de concentration et d'élimination des impuretés. Or, ce processus est très coûteux. L'extraction du carbonate de lithium à partir de lithium en faible concentration étant moins rentable que son extraction à partir de minerai, ce dernier est souvent tout simplement jeté. Il subsiste également du lithium en faible concentration après l'extraction du carbonate de lithium des lacs salés, mais là encore, l'extraction est peu rentable et le lithium est simplement jeté.
Le lithium représente environ 10 % des batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques, les appareils électroménagers et les dispositifs informatiques, tandis que le nickel et le cobalt en représentent entre 10 et 40 %. L'électrolyte résiduel des batteries usagées contient diverses impuretés. Si le nickel et le cobalt sont économiquement viables et peuvent être séparés, le lithium est souvent jeté en raison de sa faible quantité et du coût élevé des traitements ultérieurs. Des préoccupations environnementales se posent également. L'extraction du lithium à partir de cet électrolyte résiduel nécessite l'utilisation d'acide sulfurique, de soude caustique et d'acide phosphorique, des produits chimiques ayant un impact environnemental important.
La production annuelle de lithium en Corée du Sud s'élève à 43 000 tonnes. Sur ce total, 4 300 tonnes, soit 10 %, sont gaspillées sous forme de déchets faiblement concentrés. Cela représente un gaspillage annuel d'environ 100 milliards de wons (environ 85 millions de dollars américains). Si l'on ajoute les déchets faiblement concentrés provenant des batteries usagées et des lacs salés, la quantité de lithium gaspillée est encore plus importante. À l'échelle mondiale, le lithium résiduel contenu dans les seules batteries usagées atteint 150 000 tonnes, ce qui représente un volume de déchets non recyclés d'environ 12 000 milliards de wons (environ 10 milliards de dollars américains).
Conformément au règlement européen sur les piles et accumulateurs, adopté en 2020 et entré en vigueur en 2023, les nouvelles piles industrielles, les batteries pour véhicules électriques et les batteries SLI doivent utiliser des matériaux recyclés contenant au moins 16 % de cobalt, 6 % de lithium, 85 % de plomb et 6 % de nickel à partir de 2031. D'ici 2036, cette proportion passera à 12 %. Pour atteindre ce taux de recyclage, 50 à 80 % des piles et accumulateurs usagés doivent être recyclés. Du fait de cette obligation de recyclage des ressources, le marché mondial du recyclage des piles et accumulateurs usagés devrait atteindre 200 000 milliards de wons coréens d'ici 2050. Les matières premières de lithium représentent environ 20 000 milliards de wons coréens de ce marché.
Auparavant, les effluents liquides faiblement concentrés en lithium étaient jetés en raison de leur faible rentabilité. Désormais, le recyclage est la seule option. Une entreprise, Green Mineral, extrait le lithium de ces effluents de manière écologique et économique.
Jeong Gwang-hwan, PDG de Green Mineral, est professeur de sciences de la vie à l'université Sogang. Il a commencé ses recherches sur le recyclage des métaux par les microalgues il y a une dizaine d'années, recherches qui l'ont conduit à fonder Green Mineral en 2021. L'équipe de recherche de Green Mineral compte actuellement quatre docteurs et quatre titulaires de master, dont le directeur général, Lee Ho-seok (professeur de sciences de la vie à l'université Sogang).
La technologie de Green Mineral devrait jouer un rôle clé dans la résolution des principaux défis auxquels est confrontée l'industrie mondiale du recyclage des batteries. Green Mineral mène actuellement un projet pilote à Gwangyang et prévoit de lancer une production de masse à grande échelle en 2027. L'entreprise développe ses activités en vue d'une introduction en bourse en 2030. Cette année, Green Mineral a été sélectionnée pour le programme « ESG Korea » de SK Telecom et bénéficie d'un accompagnement pour accélérer son développement.
Nous avons rencontré le PDG Jeong Gwang-hwan dans les bureaux de Green Mineral, situés dans le complexe numérique de Gasan, afin de découvrir sa technologie d'extraction du lithium utilisant des microalgues à partir d'eaux usées à faible concentration de lithium, le projet de démonstration en cours à Gwangyang et la stratégie future de Green Mineral pour le marché des batteries de nouvelle génération.
Trouver la réponse dans la chlorelle
Comment Green Minerals parvient-elle à extraire le lithium des eaux usées lithifères, souvent rejetées en raison de leur faible rentabilité, et ce, de manière écologique ? Le secret réside dans la chlorelle (une algue verte unicellulaire vivant principalement en eau douce et riche en chlorophylle, essentielle à la photosynthèse). L’ajout de chlorelle aux eaux usées lithifères, en remplacement de mélanges chimiques, provoque la précipitation naturelle de cristaux blancs de carbonate de lithium. Ce phénomène est appelé biominéralisation. La biominéralisation désigne le processus par lequel les organismes absorbent des substances extérieures et les transforment en formes cristallines et dures, comme les minéraux. La formation des coquilles chez les palourdes et celle des os chez l’être humain en sont des exemples.
« Une enzyme spécifique présente dans la chlorelle déclenche le processus biochimique. Cette enzyme met les ions lithium en contact avec le dioxyde de carbone. »
Lorsqu'on ajoute de la chlorelle aux eaux usées contenant du lithium et du dioxyde de carbone sous forme de bulles, la chlorelle absorbe ce dioxyde de carbone tout en effectuant la photosynthèse. Au cours de ce processus, des enzymes intracellulaires s'activent, transformant le dioxyde de carbone en ions carbonate (CO₃²⁻). Simultanément, les ions lithium (Li⁺) réagissent avec le carbonate, provoquant la cristallisation et la précipitation du carbonate de lithium. Des cristaux blancs se déposent au fond de la solution, tels des flocons de neige. L'activité enzymatique de biominéralisation de la chlorelle naturelle étant insuffisante, Green Mineral modifie génétiquement la chlorelle afin d'améliorer cette activité.
« Nous avons inséré dans la chlorelle un gène qui crée une enzyme impliquée dans la biominéralisation. À l'origine, la chlorelle ne possédait la capacité de biominéraliser que pour sa propre survie. Cependant, Green Mineral a ajouté le gène de cette enzyme, lui permettant ainsi de produire davantage de cette même enzyme au sein de la même cellule. »
Green Mineral détient plus de 20 brevets enregistrés ou en cours d'examen, dont 12 brevets nationaux et quatre brevets internationaux liés à la technologie génétique de la chlorelle, et huit brevets nationaux et quatre brevets internationaux liés à la technologie de lixiviation du lithium, du nickel et du cobalt utilisant la biominéralisation.
« La technologie d'introduction du gène Chlorella est extrêmement complexe. Cela s'explique par la rigidité exceptionnelle des parois cellulaires de la plante. La difficulté réside dans la capacité à pénétrer cette paroi rigide et à y insérer le gène. Green Mineral a obtenu un brevet pour cette technologie. »
Les eaux usées faiblement concentrées en lithium sont rejetées faute de techniques de recyclage rentables. Green Mineral utilise des chlorelles génétiquement modifiées pour récupérer plus de 90 % du carbonate de lithium contenu dans ces eaux usées.
Green Mineral offre des avantages à la fois économiques et environnementaux. Les méthodes conventionnelles utilisent fréquemment des acides et des bases forts, comme l'acide sulfurique, la soude caustique et l'acide phosphorique, et impliquent un processus complexe en huit à dix étapes. À l'inverse, Green Mineral n'utilise qu'une faible quantité d'acide sulfurique dans la chlorelle et simplifie le processus à seulement cinq étapes, réduisant ainsi les coûts à un tiers de ceux des méthodes chimiques conventionnelles. La réduction de l'utilisation de produits chimiques diminue également considérablement les graves problèmes de pollution environnementale associés aux méthodes conventionnelles. La chlorelle peut être recyclée en biodiesel ou en engrais.
Phase de validation et mise à l'échelle
Green Mineral a achevé ses recherches en laboratoire et entame la phase de vérification à grande échelle. En septembre dernier, l'entreprise a été sélectionnée pour le projet de vérification de la société P et a transféré ses installations de recherche à Gwangyang. Les essais, auparavant réalisés à petite échelle, peuvent désormais être menés sur une échelle de 5 tonnes.
Le laboratoire et le milieu industriel sont très différents. Dans un réacteur de 30 litres, la température était quasi uniforme. En revanche, dans un réacteur de 500 litres, la température variait entre le centre et les bords. L'injection de dioxyde de carbone par le haut induit une acidité plus faible en surface qu'au fond. La chlorelle consomme également du dioxyde de carbone, ce qui entraîne une hausse du pH. Cette hétérogénéité affecte directement l'efficacité de la réaction enzymatique.
Green Mineral a résolu ces problèmes. Un système de régulation de la température maintient une température constante dans tout le réacteur, un système tampon de pH maintient l'acidité dans la plage cible et un système de bullage de dioxyde de carbone à pression contrôlée assure une distribution homogène de ce gaz. À l'intérieur du réacteur, des capteurs de température, de pH, d'oxygène dissous et de turbidité permettent une surveillance en temps réel, tandis qu'un éclairage LED bleu et rouge optimise la photosynthèse des chlorelles.
Green Mineral teste également des technologies de récupération du nickel, du cobalt et du lithium. Le principe de biominéralisation utilisé pour la récupération du lithium permet également la précipitation du nickel, du cobalt et du manganèse. Ceci permettrait d'extraire la quasi-totalité des ressources contenues dans les batteries usagées. Compte tenu du potentiel du marché du recyclage des batteries, le nickel et le cobalt présentent une valeur supérieure. Alors que le lithium représente environ 10 % d'une batterie lithium-ion, le nickel en représente 30 à 40 % et le cobalt 10 à 20 %, soit une proportion bien plus importante. C'est pourquoi Green Mineral a déposé des brevets pour des compositions de lixiviation du nickel et du cobalt.
Green Minerals devrait révolutionner le secteur du recyclage des batteries une fois que la technologie de récupération du nickel et du cobalt sera commercialisée.
Les batteries contiennent non seulement du lithium, mais aussi divers métaux comme le nickel, le cobalt et le manganèse. Le principe de biominéralisation peut être appliqué à la plupart des métaux. Bien que chaque métal nécessite une manipulation génétique optimale de la chlorelle, le principe de base reste le même.
Green Mineral prévoit de lever des fonds de série B l'année prochaine afin de mener à bien son projet de démonstration à Gwangyang et de réunir les capitaux nécessaires à la construction d'une usine de production de masse. L'entreprise ambitionne d'achever la construction de cette usine en 2027, de commercialiser sa technologie de récupération du nickel et du cobalt en 2028 et d'entrer en bourse en 2030.
C’est le moment où ce qui était autrefois délaissé est réévalué comme une ressource précieuse. Un marché de 12 000 milliards de wons, jadis jugé non rentable, est aujourd’hui relancé par Green Minerals. Le développement de Green Minerals se poursuivra jusqu’au démarrage de la production à grande échelle en 2027.
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