Offre de thèse
Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse
Projet LULABAT
Application du procédé d’attrition lixiviante au recyclage de matériaux de cathode des batteries lithium-ion
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Recrutement terminé
Mots-clefs : recyclage des métaux ; recyclage des batteries ; procédés hydrométallurgiques ; procédé d’attrition-lixiviante ; génie des procédés
Contexte du projet de thèse
Afin de relever les défis écologiques, économiques et technologiques nécessaires à la transition vers une économie circulaire, compétitive et respectueuse de l’environnement, l’état français a mis en place le programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) intitulé Recyclage, recyclabilité et ré-utilisation des matières[1]. Ce programme, lancé en mai 2023, est centré sur cinq grandes familles de matériaux utilisés quotidiennement (les plastiques, les matériaux composites, les textiles, les métaux stratégiques et les papiers/cartons), mais aussi sur différentes filières, dont celle des batteries. Le projet LULABAT, financé par ce PEPR et regroupant plusieurs équipes de recherche, est ainsi dédié au recyclage des batteries lithium-ion. Le recyclage de ces batteries, utilisées dans les appareils électriques portables ou les véhicules, est un enjeu clé du déploiement des nouvelles technologies de l’énergie décarbonée.
En vue de récupérer sélectivement les différents éléments de valeurs (Li, Co, Ni, Mn, graphite) composants ces batteries usagées et de préparer des composés chimiques utilisables pour la fabrication de nouvelles batteries, la mise en œuvre de procédés hydrométallurgiques est nécessaire dans la chaîne de recyclage. La première étape de ces procédés hydrométallurgiques consiste à dissoudre les poudres issues du broyage des batteries dans un milieu acide, ce qui constitue l’étape de lixiviation. Par la suite, différentes techniques de séparation (précipitation sélective, extraction liquide-liquide) sont mises en œuvre pour la récupération sélective de ces éléments, suivies d’étapes de purification et de transformation pour produire les composés recherchés.
Objectifs scientifiques de la thèse
Le projet de thèse proposé au Laboratoire de Génie Chimique concerne spécifiquement l’étape de lixiviation des poudres de batteries. Il s’appuie sur un type de réacteur développé au LGC et permettant d’imposer des contraintes mécaniques sur les particules à dissoudre, agissant conjointement aux réactions chimiques de dissolution. Les contraintes mécaniques sont produites par l’ajout de billes de taille millimétrique introduites dans l’enceinte du réacteur de lixiviation, et provoquent des phénomènes de fracturation et d’usure des particules. Ce réacteur d’attrition-lixiviante a déjà été appliqué à la mise en solution de différents matériaux, tels que les silicates magnésiens[2] ou le minerai de chalcopyrite[3].
L’objectif principal du projet de thèse concerne l’étude des options ouvertes par le réacteur d’attrition-lixiviante pour le traitement hydrométallurgique de matériaux de cathodes des batteries lithium-ions. Il vise en particulier à l’exploration de conditions opératoires plus douces (pH modéré, large gamme de potentiel Eh), plus sélectives, et permettant d’ajuster les réactions de lixiviation aux étapes ultérieures de séparation. Par ailleurs, ce projet vise à approfondir la compréhension de l’effet de certains paramètres du procédé d’attrition-lixiviante (p.ex. la taille et quantité du média broyant) sur les contraintes mécaniques (attrition, fracturation, activation mécanique) et leur impact sur les mécanismes de dissolution.
La méthodologie appliquée combinera la mise en œuvre d’essais expérimentaux dans un réacteur dédié, la caractérisation des phases solides et de la phase aqueuse par des techniques complémentaires (p.ex. microscopie, diffraction RX, analyses chimiques, analyses granulométriques)[4] et la réalisation de calculs d’équilibres à l’aide de logiciels de calculs thermodynamiques. La modélisation du procédé d'attrition-lixiviante dans ce contexte, couplant un modèle physique d'attrition et de lixiviation avec un modèle thermodynamique, est également envisagée.
Contexte professionnel
La thèse se déroulera au Laboratoire de Génie Chimique (LGC[5]), localisé à Toulouse, qui est une unité mixte de recherche entre l’Institut National Polytechnique de Toulouse, l’Université Paul Sabatier et le Centre National de la Recherche Scientifique. Les recherches du laboratoire, développées dans 6 départements de recherche par 300 personnes, sont menées en large partie dans le cadre d’un réseau de collaborations académiques et industrielles, avec environ 30 thèses de doctorats soutenues chaque année.
Le doctorant sera inscrit à l’Ecole doctorale MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés). Il sera salarié de l’INP-SAIC, via un contrat doctoral de 36 mois financé par le programme LULABAT. Dans le cadre de ce projet, le doctorant sera en interaction avec d’autres doctorants menant des projets connexes (au CEA-LITEN de Grenoble, au LRGP de Nancy), et participera aux réunions d’avancement du projet. Au sein du LGC, le doctorant sera intégré au département IRPI[6] et plus particulièrement à l’équipe encadrante qui développe ce type d’approche depuis plusieurs années, dans le cadre de différents procédés hydrométallurgiques.
Les travaux de thèse seront co-dirigés par Laurent Cassayre (Directeur de Recherches au CNRS) et Florent Bourgeois (Professeur à l’Ensiacet).
Profil du candidat
De niveau bac+5, le/la candidat(e) devra impérativement disposer d'une première expérience de recherche. Le sujet proposé requiert avant tout un goût prononcé pour l’expérimentation et le développement de procédés. Le/la candidat(e) devra avoir des bases solides en physico-chimie et en chimie des solutions aqueuses. La connaissance des techniques de caractérisation des matériaux, d’analyse des solutions et/ou de thermodynamique des procédés sera un atout.
Pour candidater
La date limite pour candidater à ce sujet de thèse est fixée au 20 juillet 2023. Les candidatures doivent être envoyées à l’adresse suivante : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
Le dossier de candidature (sous forme d’un unique fichier pdf) doit contenir les informations suivantes :
- CV synthétique, avec notamment la situation professionnelle actuelle et les diplômes obtenus,
- Cursus scolaire et relevés des notes,
- Sujet de stage de recherche et lettre d’appréciation de l’encadrant(e),
- Niveau d’anglais,
- Lettre de motivation montrant l’adaptation du profil du candidat au sujet proposé.
[1] https://premc.org/pepr-recyclage/
[2] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fclim.2022.946735
[3] https://doi.org/10.1021/acsengineeringau.2c00051
[4] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956053X20305286
