L'avenir du recyclage des batteries : analyse des brevets sur la technologie hydrométallurgique des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion (LIB) sont devenues une technologie centrale dans le stockage d’énergie depuis leur commercialisation dans les années 1990 par Sony.

Une cellule lithium-ion est constituée de six composants principaux qui doivent tous être récupérés lors du processus de recyclage (voir Figure 1). L'anode et la cathode sont des matériaux électrochimiquement actifs, tandis que le séparateur isole électriquement les deux électrodes.

Les spécialistes des batteries ont défini des générations de technologies qui se sont succédées sans interruption depuis la première batterie LCO de Sony en 1991 :

• Génération I (avant 2010) : Cathodes LCO – anode graphite.
• Génération II (2010-2020) : Cathodes NCA/NMC 111 – anode graphite.
• Génération III (2020-) : Cathodes à faible teneur en cobalt (NMC622-NMC811) – anodes enrichies en silicium.
• Génération IV (2030 ?) : Batteries lithium métal tout solide – oxydes sans cobalt.

Le recyclage des batteries usagées vise non seulement à réduire l’impact environnemental, mais également à récupérer des composants précieux à partir des déchets électroniques.

D'ici 2040, on estime que le recyclage pourrait fournir 51 % du cobalt, 42 % du nickel et 23 % du manganèse utilisés dans la production de batteries au sein de l'Union européenne. Cependant, seuls 9 % du lithium devraient provenir de sources secondaires.

En réponse à l’augmentation de la production de LIB et au défi de la gestion des batteries en fin de vie, plusieurs technologies de recyclage ont été développées.

Les trois principales approches sont la pyrométallurgie, l’hydrométallurgie et le recyclage direct :

La technologie hydrométallurgique utilise des solutions acides pour extraire des métaux précieux comme le lithium, le cobalt et le nickel lors du recyclage des batteries lithium-ion. Le processus consiste à broyer les batteries usagées et à dissoudre les métaux avec des acides (par exemple, H₂SO₄ ou HCl) et des agents réducteurs, ce qui permet une récupération de haute pureté et une meilleure sélectivité par rapport aux méthodes thermiques.

En termes d'innovation, les efforts sont concentrés sur le développement de « Hydro 4.0 », un concept visant à rendre les processus plus respectueux de l'environnement et automatisés en intégrant des technologies avancées telles que l'analyse de données et l'apprentissage automatique.

• Innovations

Les entreprises et les instituts de recherche investissent dans des technologies brevetées de recyclage hydrométallurgique capables de traiter différentes compositions chimiques de batteries (LFP, NMC, LCO, etc.), garantissant ainsi la flexibilité des processus.

• 1. Intégration de l’électrodialyse : Des chercheurs de l’Université de Malaga ont proposé d’utiliser l’électrodialyse dans les procédés de recyclage hydrométallurgique. Cette approche vise à améliorer la séparation et la récupération des métaux précieux des batteries usagées. Elle s’inscrit dans une logique d’économie circulaire en optimisant la récupération des ressources tout en réduisant l’impact environnemental. Cependant, des défis subsistent, notamment en matière de consommation énergétique et d’optimisation des systèmes.
• 2. Technologies de lixiviation sélective : Les innovations en matière de lixiviation sélective visent à maximiser l’extraction des métaux tout en réduisant l’utilisation de réactifs et la production de déchets. Ces procédés ciblent les métaux critiques avec une grande efficacité et cherchent à rendre le recyclage à la fois économiquement viable et durable. Le défi est de concilier performance économique et impact environnemental réduit en optimisant la chimie utilisée et les conditions de réaction.
• 3. Recyclage hydrométallurgique par lixiviation acide biodégradable : cette innovation utilise un système de lixiviation mixte utilisant des acides biodégradables, notamment l'acide ascorbique et l'acide citrique, pour extraire les métaux des batteries usagées. Proposé par Fatima et al. (2024) grâce à l'utilisation de réactifs non toxiques et respectueux de l'environnement.
  

Chacune de ces trois technologies de recyclage joue un rôle essentiel dans la gestion durable des batteries lithium-ion. La pyrométallurgie est efficace pour le traitement à grande échelle, mais elle présente une empreinte écologique élevée. Le recyclage direct pourrait encore réduire l’impact environnemental, d’autant plus que la standardisation des batteries s’améliore. Les futurs procédés hybrides, ainsi que des réglementations plus strictes, stimuleront probablement l’innovation et soutiendront une économie circulaire à mesure que la demande de batteries continue de croître. L’hydrométallurgie offre une approche équilibrée avec une meilleure efficacité et une meilleure durabilité, ce qui en fait la méthode la plus prometteuse pour les batteries de véhicules électriques, bien qu’elle nécessite une gestion prudente des déchets chimiques. C’est pourquoi l’analyse du paysage des brevets suivante se concentre sur cette technologie.

L’analyse du paysage des brevets offre un aperçu précieux de l’innovation, notamment en nous aidant à prédire l’avenir de la technologie. Dans cette partie, nous partagerons ce que notre analyse du paysage des brevets sur l’innovation dans le recyclage hydrométallurgique des batteries lithium-ion peut nous apprendre sur la prochaine génération de cette technologie, y compris les principaux acteurs de l’industrie et les principaux marchés de recherche et développement (R&D) derrière cette solution innovante.

Pour comprendre les activités d'innovation et de R&D dans cette technologie, nous avons effectué une recherche macro à l'aide de notre logiciel propriétaire de veille IP. En analysant les brevets collectés grâce à notre expertise en services de IP Consulting , nous avons pu créer un aperçu mondial fascinant des avancées de la recherche et des investissements dans ce domaine.

Au total, la base de données comprend 2 958 familles de brevets déposées au cours des 20 dernières années. La dynamique des dépôts de brevets révèle une augmentation significative de l'activité de brevets liée au recyclage hydrométallurgique des batteries Li-ion de 2004 à 2024, avec une forte augmentation à partir de 2017.

Les premières années ont été marquées par un nombre relativement faible de dépôts de brevets, mais à partir de 2017, on a assisté à une forte augmentation. En 2020, le nombre de brevets accordés a culminé à 190, soit une augmentation de 144 % par rapport aux 78 brevets accordés en 2017. De même, le nombre de brevets en instance a considérablement augmenté, passant de seulement 4 en 2017 à 127 en 2021, ce qui reflète une croissance exponentielle (comme indiqué ci-dessous).

Cette augmentation est due à la demande croissante en véhicules électriques, en électronique grand public et en stockage d’énergie, ainsi qu’à l’accent mis sur le recyclage durable pour gérer les déchets de batteries et récupérer des matériaux essentiellement le lithium, le cobalt et le nickel pour la transition verte.

Notre analyse du paysage des brevets révèle les principaux acteurs dans le domaine du recyclage hydrométallurgique des batteries Li-ion.

• Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. , une société japonaise leader dans le domaine de l'exploitation minière et de la fusion, détient 79 brevets accordés et 21 brevets en attente, ce qui reflète un solide portefeuille de propriété intellectuelle dans le domaine. La société a fait des progrès significatifs dans le recyclage hydrométallurgique des LIB en se concentrant sur des processus respectueux de l'environnement pour récupérer efficacement des métaux précieux comme le lithium, le cobalt et le nickel. Les innovations, notamment les méthodes améliorées d’extraction par solvant, visent à améliorer l’efficacité de la récupération des métaux tout en minimisant l’impact environnemental, favorisant ainsi une approche durable du recyclage des batteries.
• Hunan Brunp Recycling Technology et Guangdong Brunp Recycling technology, deux filiales du principal fabricant chinois de batteries CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.), sont spécialisées dans le recyclage des batteries lithium-ion. Hunan Brunp se concentre sur le démantèlement et le traitement hydrométallurgique des batteries usagées, tandis que Guangdong Brunp se concentre sur la récupération des métaux clés. Avec respectivement 45 et 44 brevets accordés, ainsi que 47 brevets en attente, ces entreprises font progresser les technologies de recyclage et renforcent l'engagement de la Chine en faveur du leadership dans l'économie circulaire pour les batteries lithium-ion. Le nombre limité de brevets expirés suggère que leurs innovations restent très pertinentes et à l'avant-garde du secteur du recyclage des batteries en pleine évolution.
• L'Université du Centre-Sud et l'Institut d'ingénierie des procédés de l'Académie chinoise des sciences sont des institutions universitaires de premier plan qui contribuent de manière significative avec 35 brevets accordés, 31 brevets en attente pour l'Université du Centre-Sud et 25 brevets accordés pour l'Institut d'ingénierie des procédés. Leur contribution souligne l'importance des institutions de recherche dans l'innovation des technologies de recyclage durable, en particulier en Chine.
• BASF est l'une des plus grandes entreprises chimiques au monde, avec 27 brevets en attente et 7 brevets accordés, ce qui en fait un acteur européen de premier plan. En collaboration avec des leaders du secteur comme Iveco Group et Stena Recycling , BASF fait progresser les processus de recyclage des batteries de véhicules électriques, en privilégiant l'efficacité des ressources et la durabilité. Parallèlement, son partenariat nord-américain avec Nanotech Energy se concentre sur la réduction des émissions de CO₂ en produisant des batteries lithium-ion qui intègrent des matériaux recyclés. Grâce à des collaborations continues avec des institutions universitaires, BASF continue de stimuler l'innovation dans les matériaux de batterie, renforçant ainsi son engagement en faveur de solutions durables dans le stockage de l'énergie.
• JX Nippon Mining & Metals (58 brevets accordés, 4 brevets en attente et 11 brevets expirés) et sa filiale spécialisée dans le recyclage JX Metals Circular Solutions (27 brevets accordés) illustrent le leadership technologique du Japon en matière de récupération et de recyclage avancés des métaux des batteries lithium-ion. Ces innovations, renforcées par un partenariat avec Mitsubishi Materials, qui détient 10 brevets accordés, fournissent des solutions de recyclage en boucle fermée pour les déchets électroniques et automobiles, visant à garantir un approvisionnement stable en matériaux recyclés tout en soutenant l'engagement du Japon en faveur d'une économie circulaire et les objectifs mondiaux de décarbonisation dans les secteurs des batteries et de l'électronique.
• Le Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) détient un portefeuille modéré de 14 brevets délivrés et 4 brevets en instance. Cette orientation s'inscrit dans sa mission d'organisme de recherche public français visant à faire progresser les technologies durables et à contribuer aux objectifs de l'économie circulaire de la France. Pour les batteries lithium-ion, le CEA met l'accent sur le traitement et le recyclage du lithium, du cobalt, du manganèse et du nickel.

Le dépôt dans le pays prioritaire se fait le plus souvent dans le pays dans lequel la recherche et le développement (R&D) ont lieu. L'examen de ces données nous montre donc quels pays sont les plus innovants et lesquels sont ceux qui cherchent à protéger leurs inventions.

La répartition géographique des brevets dans la technologie hydrométallurgique pour le recyclage des batteries lithium-ion révèle que la majorité de l’activité est concentrée en Chine .

• La Chine (CN) enregistre une augmentation significative des demandes de brevets au fil des ans, notamment à partir de 2016, atteignant déjà un pic de 473 familles de brevets en 2023, même si l'année pourrait être incomplète. Cette tendance souligne l'importance accordée par la Chine au recyclage des LIB, en raison de sa production et de sa consommation importantes de batteries. Ce leadership dans les dépôts de brevets reflète la domination de la Chine dans la chaîne d'approvisionnement mondiale des batteries et son intérêt croissant pour les technologies de recyclage.
  
• Le Japon connaît une augmentation constante du nombre de dépôts de brevets, avec un pic entre 2018 et 2021. Cette tendance reflète l'importance que le pays accorde à la sécurisation des ressources comme le lithium et le cobalt par le recyclage, compte tenu de son approvisionnement intérieur limité. L'engagement du Japon en faveur de l'innovation dans les technologies de recyclage s'aligne sur ses objectifs stratégiques en matière de sécurité des ressources et de durabilité environnementale.
  
• Les demandes de brevets déposées auprès de l'Organisation mondiale (OM) connaissent une augmentation progressive, atteignant un pic entre 2020 et 2023. Cette tendance indique un intérêt international croissant et une innovation active dans ce domaine.
  
• Les États-Unis (US), la Corée du Sud (KR) et l'Europe (EP) affichent une croissance modérée mais constante des dépôts de brevets, soulignant leur rôle dans l'industrie mondiale du recyclage des batteries. Les États-Unis et la Corée du Sud affichent des dépôts constants, culminant autour de 2020-2022. La carte thermique indique une tendance à la hausse des dépôts depuis 2010, avec une croissance rapide de 2018 à 2022, tirée par la demande croissante de LIB dans les véhicules électriques, l'électronique et les énergies renouvelables, ainsi que par le besoin de solutions d'élimination durables.

• La Chine est en tête avec plus de 1 800 familles de brevets, dont 712 sont accordés et 730 sont en attente, démontrant la domination et l'engagement du pays dans ce domaine.
  
  Cela s'inscrit dans la volonté de la Chine de promouvoir la durabilité, comme en témoignent la production de 9,3 millions de véhicules électriques en 2023 (65 % de la production mondiale) et la vente de 8,4 millions d'unités, soit 59 % des ventes mondiales, dont environ 90 % sur le marché intérieur en 2023 ( source ). L'ampleur de la production et de la consommation de véhicules électriques fait de la Chine un marché de premier plan pour le recyclage des LIB, favorisant les progrès dans les méthodes de récupération des métaux respectueuses de l'environnement et efficaces.
  
• Le Japon fait preuve d'une forte activité avec 240 brevets accordés et 92 demandes en attente. L'engagement du Japon en faveur de l'innovation dans le recyclage des batteries LIB est évident, ce qui témoigne d'un solide pipeline d'avancées dans la gestion durable des batteries.
  
• Les États-Unis font preuve d’une approche proactive, avec 59 brevets accordés et 117 brevets en attente. Les efforts américains se concentrent sur le perfectionnement des processus de recyclage, l’exploration de nouvelles méthodes telles que les solvants eutectiques profonds pour l’extraction des métaux et le développement de solutions évolutives pour faire face à l’augmentation des déchets de batteries. L’une de ces innovations est le procédé AquaRefining™, protégé par un brevet, d’Aqua Metals, qui a été initialement appliqué au recyclage du plomb et est maintenant étendu au traitement des batteries lithium-ion. Cette méthode, qui utilise de l’eau à température ambiante, réduit les émissions polluantes et permet une récupération efficace des métaux. Cependant, malgré ses avantages environnementaux, la commercialisation à grande échelle de cette technologie protégée par un brevet reste un défi.
  
• La Corée du Sud (KR) présente une activité considérable en matière de brevets, avec 124 brevets accordés et 57 brevets en attente, ce qui reflète une orientation stratégique vers la récupération des ressources et les technologies vertes. La R&D soutenue par le gouvernement et les collaborations entre le milieu universitaire et l'industrie visent à améliorer l'efficacité du recyclage et à réduire la dépendance aux matières premières importées.
  
• L'Europe (EP), avec 14 brevets accordés et 56 brevets en attente, a enregistré une augmentation marquée de l'activité de brevets pour la technologie hydrométallurgique de recyclage des batteries. Cette tendance s'aligne sur les politiques de l'UE en faveur des technologies durables et de la réduction des déchets électroniques, faisant du recyclage hydrométallurgique une priorité pour des raisons à la fois environnementales et économiques dans toute l'Europe.
  
• D’autres pays , comme l’Inde, présentent un nombre plus faible de brevets, ce qui indique probablement un intérêt émergent ou plus spécialisé dans ce domaine.

La technologie hydrométallurgique pour le recyclage des batteries offre une voie prometteuse pour la gestion durable des batteries lithium-ion. En utilisant des procédés chimiques pour récupérer des métaux précieux comme le lithium, le cobalt et le nickel, cette approche permet de récupérer efficacement des matériaux de haute pureté, ce qui est essentiel pour répondre à la demande croissante générée par les véhicules électriques, l'électronique grand public et les systèmes de stockage d'énergie renouvelable.

L’augmentation des brevets liés au recyclage hydrométallurgique souligne l’intérêt croissant porté au développement de solutions innovantes et rentables à l’échelle mondiale. Des pays comme la Chine et le Japon ouvrent la voie, poussés par des réglementations ambitieuses et des objectifs stratégiques visant à sécuriser les matières premières essentielles grâce au recyclage. Les principaux acteurs de l’industrie et les institutions de recherche explorent activement de nouvelles techniques, telles que la lixiviation sélective et l’intégration de technologies avancées, pour améliorer l’efficacité et réduire l’impact environnemental.

Les tendances récentes montrent également un intérêt croissant pour les efforts de collaboration entre l’industrie et le monde universitaire, soulignant l’importance d’une innovation continue pour relever les défis liés aux déchets de batteries. Grâce aux progrès de l’automatisation et des processus respectueux de l’environnement, l’avenir du recyclage des batteries semble prometteur. À mesure que les cadres réglementaires se renforcent à l’échelle mondiale, soutenant les principes de l’économie circulaire, le recyclage hydrométallurgique jouera probablement un rôle essentiel dans la réduction de notre dépendance à l’exploitation minière et la création d’un paysage énergétique plus durable.

L'analyse du paysage des brevets peut fournir des informations précieuses sur les tendances et les marchés de la recherche et de l'innovation, comme nous l'espérons avec cette analyse du recyclage des LIB hydrométallurgiques. Pour plus de détails sur l'activité des brevets dans ce secteur ou pour des conseils ou une assistance spécifiques sur tout autre sujet, contactez l'équipe de Questel IP Consulting .