Le recyclage des batteries prend le volant

Alors que la mobilité électrique augmente à l'échelle mondiale, il en va de même pour les besoins en batteries de véhicules électriques (EV). Cette demande a entraîné une croissance considérable de la production de batteries, avec plus de cinq térawattheures (TWh) par an de capacité de giga-usine attendue dans le monde d'ici 2030. Il y a également une croissance considérable des volumes de batteries de véhicules électriques à l'approche de leur fin de vie, avec plus de 100 millions de batteries de véhicules qui devraient être retirées au cours de la prochaine décennie.1Estimation MCFM BI. Passer de la mobilité basée sur les combustibles fossiles à la mobilité électrique est clairement positif pour l'environnement et pour le portefeuille de nombreux consommateurs, mais la refonte de notre système de transport nécessite la conception et la mise à l'échelle de nouvelles chaînes d'approvisionnement. Ce défi s'accompagne d'une opportunité : mettre à l'échelle une chaîne d'approvisionnement plus stable, plus résiliente, plus efficace et plus durable que celle de l'industrie des véhicules à carburant fossile et à moteur à combustion interne (ICE). Le recyclage des batteries est la clé pour saisir cette opportunité (voir encadré, "La seconde vie des batteries : une source de revenus supplémentaire").

Cet article est un effort de collaboration d'Andreas Breiter, Martin Linder, Thomas Schuldt, Giulia Siccardo et Nikola Vekić représentant les points de vue de la pratique des industries avancées de McKinsey.

En Chine, en Europe et aux États-Unis, qui connaissent tous une importante transition vers les véhicules électriques, la plupart des matériaux de batterie adaptés au recyclage proviennent toujours de cellules électroniques grand public, telles que celles des ordinateurs portables et d'autres articles ménagers, et des déchets de fabrication de cellules générés par des batteries défectueuses qui ne passent pas le contrôle qualité. Les déchets de fabrication de cellules pouvant atteindre 30 % lors du lancement d'une nouvelle usine de batteries, une source importante de volume de recyclage évolue sur les marchés où la fabrication de batteries pour véhicules électriques passe à la vitesse supérieure. Sur les marchés où l'adoption des véhicules électriques est omniprésente depuis un certain temps, comme la Chine, les batteries de véhicules électriques en fin de vie représentent un volume plus important. Pourtant, à l'échelle mondiale, les déchets de production resteront probablement la principale source de matériaux de batterie à recycler jusqu'en 2030, lorsque les volumes de batteries EV en fin de vie auront augmenté au point de dépasser (Figure 1).

Contrairement aux batteries électroniques grand public, qui sont trop petites pour être intégrées dans des systèmes de seconde vie, et aux déchets de production de cellules, qui ne peuvent pas être utilisés dans les batteries, les batteries EV en fin de vie peuvent être remanufacturées de manière rentable et réutilisées dans d'autres applications. Cela peut créer une source de revenus supplémentaire pour les propriétaires de batteries avant que ces batteries ne soient recyclées. Lorsqu'elles atteignent leur fin de vie dans les véhicules électriques (généralement après dix à 15 ans ou plus de 200 000 miles), les batteries de véhicules électriques peuvent trouver des applications de seconde vie rentables, telles que l'alimentation de secours stationnaire, entre autres, qui ont des exigences de cycle moins rigoureuses que les véhicules électriques. Les batteries adaptées à ces applications de seconde vie pourraient bien emprunter ce détour avant d'être recyclées, mais, dans une approche de maximisation de la valeur, toutes les batteries de VE devraient éventuellement se retrouver dans les processus de recyclage.

C'est particulièrement le cas pour les batteries utilisant des produits chimiques basés sur des intrants de grande valeur (par exemple, des cathodes d'oxyde de nickel-manganèse-cobalt) par rapport aux produits chimiques avec des intrants de faible valeur (tels que des cathodes de lithium-fer-phosphate), bien que les envolées des matières premières, les chocs géopolitiques et la réglementation aient le potentiel de modifier l'analyse de rentabilisation du recyclage, même pour les batteries sans nickel et sans cobalt.

Dans cet article, nous examinons le contexte du marché qui a conduit à la croissance du recyclage des batteries, les voies technologiques et les modèles commerciaux communs, ainsi que les facteurs de succès dans ce secteur. Bien que nos recherches soient étroitement axées sur le recyclage des batteries, nous constatons que la compréhension de la portée potentielle de l'économie circulaire pour les batteries met en lumière une approche de la chaîne d'approvisionnement qui pourrait être adoptée par d'autres industries, au sein et au-delà de l'énergie et des transports, pour stimuler une croissance durable.

De nombreux leviers alimentent la croissance de la filière du recyclage des batteries :

Progrès technologique à mesure que les processus évoluent et mûrissent, cela permet des taux de récupération plus élevés, une réduction des empreintes de gaz à effet de serre et une amélioration de l'économie. En outre, les subventions de projets de recherche et d'innovation des gouvernements encouragent l'avancement des technologies de recyclage, telles que l'Alliance européenne des batteries de l'UE et les subventions de recherche sur l'innovation des petites entreprises de la National Science Foundation Phase II des États-Unis.2 "European Battery Alliance", Commission européenne, octobre 2017; "Programmes pour les petites entreprises", National Science Foundation.

Considérations sur la stabilité de la chaîne d'approvisionnement sont prioritaires pour divers équipementiers automobiles et producteurs de cellules qui cherchent à sécuriser des volumes de matières premières locales (recyclées) à des prix stables. Par exemple, VW a conclu un partenariat avec Redwood Materials aux États-Unis, et GM avec Li-Cycle et Cirba Solutions.3 "VW Group of America and Redwood Materials to create supply chain for EV battery recycle", site média américain de VW AG, 12 juillet 2022 ; Cirba Solutions et General Motors étendent leur collaboration sur le recyclage des batteries de véhicules électriques pour aider à soutenir une chaîne d'approvisionnement durable des batteries », GlobalNewswire, 2 novembre 2022.

Objectifs de décarbonisation et de chaîne d'approvisionnement éthiquefixé par les équipementiers automobiles conduire à une préférence pour les matériaux de batterie recyclés par rapport aux matériaux de batterie nouvellement extraits, étant donné que le premier se caractérise par environ quatre fois moins d'émissions de carbone, ce qui entraîne une empreinte carbone inférieure de plus de 25 % par kilowattheure (kWh) de capacité de cellule de batterie produite (Figure 2). En outre, l'approvisionnement auprès de recycleurs nationaux évite de créer une demande primaire pour les matières premières provenant de régions en conflit ou extraites par le travail des enfants, ou les deux. Nos propres recherches indiquent que les recycleurs pourraient même être en mesure d'accéder à des "primes de matières premières vertes" en conséquence.

Incitations réglementairescréent des conditions propices au recyclage local, comme la loi américaine de 2022 sur la réduction de l'inflation qui permet aux matériaux de batterie recyclés (par exemple, le lithium, le cobalt et le nickel) de bénéficier d'importants crédits d'impôt disponibles via la clause sur les matériaux nationaux, même si ces matériaux n'ont pas été extraits à l'origine aux États-Unis ou dans des pays avec lesquels les États-Unis ont conclu des accords de libre-échange.

Pression réglementaire encourage davantage les organisations à recycler. L'UE, par exemple, a institué sa directive sur les véhicules en fin de vie qui oblige les équipementiers automobiles à reprendre les batteries en fin de vie des propriétaires de véhicules. Le paquet Fit for 55 de l'UE a encore renforcé l'intérêt des équipementiers pour le recyclage en exigeant la publication des empreintes carbone des batteries, ainsi qu'en fixant des objectifs de collecte et de recyclage, y compris des exigences minimales en matière de contenu recyclé pour les batteries nouvellement construites. cycling Advisory Group) ont récemment fourni des recommandations qui devraient influencer davantage les mesures réglementaires en faveur du recyclage des batteries.5 "Lithium-ion Car Battery Recycling Group", Californian Environmental Protection Agency, 2019 ; "Groupe consultatif sur la réutilisation et le recyclage des batteries de l'UE", Texas Commission of Environmental Quality.

Il existe deux voies technologiques de recyclage des batteries qui sont les plus couramment utilisées, ainsi que d'autres méthodes de recyclage innovantes en cours de recherche et de développement.

Une fois que les batteries en fin de vie ont été collectées et reçues dans les installations de recyclage, elles sont initialement testées, déchargées et démontées (pièce 3). À ce stade, les batteries démontées passent par un processus appelé "déchiquetage". Cela consiste généralement en un traitement thermique des batteries avant ou après le broyage pour éliminer les impuretés telles que la fraction organique (par exemple, le plastique), optimiser la séparation du matériau actif d'électrode et de la feuille de collecteur de courant, et changer la phase du métal précieux en une forme réduite pour une efficacité optimisée dans le traitement hydrométallurgique. Après diverses étapes de criblage et de tri exploitant les propriétés physiques des composants de la batterie telles que la taille, la forme, le magnétisme, la densité et la conductivité, le processus produit plusieurs fractions de matériaux, qui incluent la « masse noire », une poudre contenant des matériaux précieux tels que le nickel, le cobalt, le lithium et le graphite. En variante, un prétraitement mécanique peut être effectué sans utiliser de chaleur, donnant généralement une composition de masse noire plus complexe avec plus d'impuretés.

Une fois la masse noire générée, l'une des deux méthodes de traitement suivantes est généralement utilisée :

Traitement hydrométallurgique : La masse noire tamisée est largement traitée avec des acides où les métaux sont dissous. Une série d'étapes dites d'"extraction par solvant", de "cristallisation" et de "précipitation" sépare les différents ions métalliques, qui peuvent ensuite être utilisés pour produire des matériaux prêts à l'emploi tels que le sulfate de nickel ou le carbonate de lithium. La masse noire traitée thermiquement est la matière première préférée pour ce procédé, principalement en raison de l'absence de matières organiques (telles que des solvants, des liants). Le prétraitement mécanique combiné au traitement hydrométallurgique présente un processus complexe, bien que viable, qui nécessite plus de réactifs pour obtenir des taux de récupération de matériaux élevés et des produits de qualité de qualité batterie.

Traitement pyrométallurgique : Le recyclage pyrométallurgique peut utiliser la masse noire comme matière première mais, contrairement au traitement hydrométallurgique, ne l'exige pas nécessairement. Habituellement, les batteries sont directement fondues dans un four pour récupérer le cobalt, le nickel et le cuivre, sous forme d'alliage, tandis que d'autres composants finissent principalement sous forme de laitier (tels que le lithium, l'aluminium et le silicium). Par la suite, l'alliage produit est ensuite traité dans une méthode de raffinage hydrométallurgique relativement plus simple pour extraire les matières premières et produire des sels métalliques de batterie prêts pour la production de précurseurs de batterie. Le traitement pyrométallurgique peut généralement être utilisé comme un procédé robuste avec des taux de récupération de nickel, de cobalt et de cuivre très élevés, mais il produit des récupérations totales de matériaux inférieures par rapport au prétraitement mécanique en combinaison avec un traitement hydrométallurgique, car de nombreux matériaux sont brûlés ou perdus dans le laitier. En outre, le procédé nécessite des systèmes sophistiqués d'épuration des gaz.

Des procédés de recyclage plus innovants : Diverses méthodes de recyclage, telles que le recyclage direct ou le recyclage de la matière active hydro-cathodique, sont actuellement aux stades de la recherche, du développement et de la commercialisation. Ces nouvelles voies de recyclage visent à augmenter les taux de récupération des matériaux, à réduire la consommation d'énergie et de réactifs et à réduire les émissions et les eaux usées. Par exemple, des projets de recherche en Europe et aux États-Unis proposent tous deux la flottation par mousse, une méthode de concentration des métaux généralement utilisée dans l'industrie minière, comme méthode efficace pour récupérer le graphite qui est actuellement brûlé ou envoyé à la décharge pendant ou après le processus de recyclage. La récupération du graphite, un composant qui représente environ 15 à 25 % du poids d'une batterie, pourrait devenir une exigence en vertu du règlement récemment proposé par l'UE qui impose une récupération des matériaux de 65 % et 70 % d'ici 2025 et 2030, respectivement.6 « Nouveau cadre réglementaire de l'UE pour les batteries », Parlement européen, mars 2022.

Tout au long de la chaîne de valeur du recyclage des batteries, de la collecte à la récupération des métaux, les revenus devraient atteindre plus de 95 milliards de dollars par an d'ici 2040 dans le monde, principalement motivée par le prix des métaux récupérés, l'adoption attendue de la chimie des cellules de batterie, la régionalisation des chaînes d'approvisionnement, etc. La valeur monétaire générée par tonne de matériau de batterie pourrait approcher environ 600 $ dès 2025 (pièce 4). À l'avenir, nous prévoyons que le potentiel de création de valeur atteindra des niveaux similaires à ceux de l'industrie des métaux primaires, soit environ 30 % en fonction de l'évolution des prix.7MineSpans by McKinsey.

Les revenus du recyclage des batteries sont tirés par les ventes de matières premières récupérées, qui sont généralement composées du prix des matières premières multiplié par le contenu massique par batterie multiplié par le taux de récupération de chaque métal dans la batterie. Aujourd'hui, les équipementiers automobiles paient les entreprises d'élimination pour qu'elles récupèrent les batteries mises au rebut ou en fin de vie, et la propriété de la batterie est entièrement transférée. À l'avenir, les recycleurs de batteries passeront probablement à un modèle de péage dans lequel le recycleur facture des frais pour le service de recyclage de la batterie tandis que l'OEM garde le contrôle sur les matières premières récupérées. Alternativement, les équipementiers automobiles peuvent vendre leurs déchets de batteries et leurs batteries usagées à des recycleurs pour lesquels la valeur des matières premières dans ces batteries est supérieure au coût de recyclage plus la marge.

En plus du coût d'approvisionnement des batteries à recycler - la « matière première » - il y a plus de coûts et de décisions d'exploitation associées qui peuvent avoir un impact significatif sur la rentabilité d'un recycleur :

Toute une chaîne d'approvisionnement inversée devra être mise en place pour collecter, tester et recycler les batteries. Et les entreprises poursuivent une variété de modèles commerciaux pour faciliter cela.

Différents modèles commerciaux existent dans le domaine du recyclage des batteries. Celles-ci vont des entreprises couvrant les différentes étapes de la chaîne de valeur (par exemple, le déchiquetage) aux entreprises intégrées couvrant toutes les étapes de la chaîne de valeur, de la logistique inverse des batteries en fin de vie au raffinage des matériaux des batteries. Au cours des dernières années, il y a eu une tendance à la consolidation et à l'intégration, les équipementiers automobiles s'intéressant de plus en plus aux offres de recyclage de bout en bout, au lieu de gérer eux-mêmes différents acteurs tout au long de la chaîne de valeur. Les entreprises intégrées peuvent être caractérisées en trois archétypes selon le niveau d'intégration organisationnelle :

Si le marché du recyclage des batteries est en forte croissance, il est encore loin d'être mature et le leadership du marché n'est pas encore consolidé. Le marché européen à lui seul a vu plus de 40 annonces liées au recyclage des batteries. Un schéma similaire est en train d'émerger aux États-Unis. Même en Chine, où le marché du recyclage est plus mature en raison de la plus grande disponibilité de batteries en fin de vie et de déchets de production, les principaux acteurs ne contrôlent que jusqu'à 15 % du marché. Nous avons identifié trois leviers clés que les recycleurs de batteries pourraient adopter pour conserver ou gagner un avantage sur le marché du recyclage des batteries.

Sécuriser un accès suffisant aux matières premières : Les recycleurs de batteries doivent garantir un volume suffisamment important pour générer une échelle significative à court terme avec un potentiel de croissance à plus long terme. Cela peut prendre la forme de contrats avec les producteurs de cellules de batterie pour les rebuts de production, ainsi que de contrats avec les équipementiers automobiles pour les futurs volumes de batteries en fin de vie.

Établir des partenariats pour étendre la chaîne de valeur du recyclage: Les recycleurs de batteries qui ne sont pas déjà intégrés verticalement pourraient explorer la création d'écosystèmes inter-chaînes de valeur afin d'être en mesure d'offrir des solutions de bout en bout plus attrayantes aux équipementiers automobiles.

Investissez dans la performance technologique, tout en gardant le pouls des tendances de conception des batteries : Les équipementiers font leur choix de recyclage en fonction des taux de récupération des matériaux, de la qualité des produits et de l'efficacité des processus démontrés. Il sera donc essentiel d'investir dans les voies technologiques qui peuvent fournir des performances supérieures. Cela dit, les batteries EV sont loin d'être normalisées, les investissements technologiques doivent donc être calibrés par un engagement étroit avec les équipes R&D des équipementiers avec lesquels le recycleur collabore ou cherche à collaborer. L'échange d'informations sur les modifications prévues de la chimie des batteries et de la conception des packs que les équipementiers pourraient envisager, et sur l'intensité des ressources des différentes étapes du processus de recyclage, par exemple, pourrait ouvrir la voie à des décisions techniques et de conception qui simplifient, et encore plus rentable, le recyclage des batteries. La « conception pour la durabilité » nécessite des efforts de coordination tout au long de la chaîne de valeur et de développement d'une compréhension approfondie des processus en dehors du champ d'application direct du recycleur, mais peut renforcer considérablement les partenariats et les chaînes d'approvisionnement.

Sans recyclage, les matériaux des batteries devraient rester un goulot d'étranglement critique pour l'électrification. Ainsi, la croissance et la rentabilité du secteur du recyclage des batteries de véhicules électriques ont le potentiel d'accélérer ou de briser le rythme de la transition vitale d'un monde à combustion interne vers un monde électrique.

Heureusement, la création de valeur potentielle pour le recyclage des batteries de véhicules électriques, à 95 milliards de dollars par an d'ici 2040, est massive et attire l'attention des équipementiers automobiles, des équipementiers de batteries et des investisseurs. Bien que nous nous attendions à ce que de nombreux mouvements se poursuivent dans l'espace, le développement d'accords de prélèvement à grande échelle, le partenariat et l'investissement pour combler les lacunes de la chaîne de valeur, et la collaboration avec les fournisseurs de matières premières pour accroître l'efficacité de la technologie et de la conception distingueront les leaders de l'industrie. Ce qui est clair pour l'instant, c'est que pour le secteur automobile, la voie vers la mise à l'échelle de la chaîne d'approvisionnement des véhicules électriques n'est peut-être pas droite, mais circulaire.

Andrew plus largeest un associé du bureau de McKinsey dans la région de la baie, oùThomas Schulttest consultant;Martin Linderest un associé principal du bureau de Munich ;Julia Sicardo est associé au bureau de New York ; etNikola Vekićest consultant au bureau de Bruxelles.

Les auteurs tiennent à remercier Isabella Avelar, Deston Barger, Johan Bracht, Luca Buscaglione, Nicolo Campagnol, Erik Dellborg, Jonas DeMuri-Siliunas, Jacob Fleischmann, Scott Glover, Nicolas Goffaux, Xenia Greenhalgh, Yunjing Kinzel, Friederike Liebach, Connor Mangan, Alexandre van de Rijt, Patrick Schaufuss et Monica Wang pour leurs contributions à cet article.