La demande de nickel pour la transition énergétique mondiale croît à un rythme sans précédent. Cependant, l'épuisement des ressources en sulfures de nickel de haute qualité oblige l'industrie à se tourner vers les minerais ultramafiques de basse qualité et difficiles à traiter – ces ressources contiendraient environ 45 millions de tonnes de nickel non encore exploité. L'Université de Toronto et Vale Base Metals ont récemment publié une percée dans la revue Communications Engineering de Nature, décrivant pour la première fois un nouveau procédé d'extraction du nickel à basse température, principalement à l'état solide. Ce procédé utilise du fer métallique bon marché comme « capteur de nickel » pour produire un alliage fer-nickel contenant 16 % à 24 % de nickel en moins de 3 heures à une température inférieure à 950 °C, sans aucune émission de dioxyde de soufre.

Si cette technologie est industrialisée, elle aura un impact profond sur la résilience et la durabilité de la chaîne d'approvisionnement mondiale en nickel.

Épuisement des ressources de haute qualité, les minerais ultramafiques : un « os dur à ronger »

Le nickel est une matière première essentielle pour l'acier inoxydable, les alliages à base de nickel et les batteries lithium-ion, et son rôle stratégique devient de plus en plus important dans la transition énergétique mondiale. Cependant, après des années d'exploitation, les ressources mondiales en sulfures de nickel de haute qualité s'épuisent rapidement. Bien que les minerais ultramafiques de basse qualité soient abondants, leur composition minérale complexe et leur teneur élevée en gangue de silicate de magnésium les rendent difficiles à valoriser de manière économique et efficace à long terme.

Il existe principalement deux voies d'extraction traditionnelles : la fusion pyrométallurgique à haute température, qui consomme énormément d'énergie et produit de grandes quantités d'émissions de dioxyde de soufre ; et la lixiviation hydrométallurgique, qui implique des procédés complexes, une consommation élevée de réactifs et des difficultés de traitement des effluents. Ces deux voies se heurtent à des goulots d'étranglement économiques et techniques lors du traitement des minerais ultramafiques de basse qualité, laissant ces ressources « dormantes » pendant longtemps.

Quatre avancées majeures du procédé à l'état solide à basse température

L'équipe de Wei Lv, Fanmao Wang, Brian Makuza, Sam Marcuson et Mansoor Barati du Département de science et génie des matériaux de l'Université de Toronto, en collaboration avec la division Technologie et Innovation de Vale Base Metals, a développé un procédé de traitement thermique innovant avec quatre avancées majeures :

Stratégie du « capteur » : le fer métallique bon marché « capture » le nickel de manière ciblée

L'innovation centrale de ce procédé réside dans l'utilisation de fer métallique bon marché comme « capteur de nickel » (nickel getter). Dans des conditions soigneusement contrôlées de température, d'atmosphère et d'ajout de fer, des conditions thermodynamiques favorables sont créées dans le réacteur, permettant au nickel de migrer sélectivement du minerai vers la phase d'alliage métallique.

Contrairement aux méthodes précédentes qui aggloméraient la poudre de fer avec le concentré avant de chauffer à environ 920 °C, ce procédé permet une extraction efficace à basse température, inférieure à 950 °C. Son essence technique est la suivante : le fer capture le soufre des sulfures pour former du FeS non magnétique, tandis que l'excès de fer forme un alliage fer-nickel avec le nickel – cette voie de réaction de « déplacement à l'état solide » contourne astucieusement les conditions de fusion à haute température requises par la fusion traditionnelle.

Respectueux de l'environnement : élimination totale des émissions de dioxyde de soufre

L'un des principaux problèmes environnementaux de la fusion traditionnelle du nickel est l'émission de dioxyde de soufre. Ce procédé élimine fondamentalement la production de SO₂ en séquestrant le soufre de manière stable dans une phase sulfurée solide. Cette conception fait de ce procédé une voie d'extraction durable, parfaitement alignée sur les objectifs de production de métaux décarbonés.

Rapide et efficace : production en 3 heures, particules contrôlables

Le temps de traitement de ce procédé n'est que d'environ 3 heures, produisant un alliage fer-nickel avec une teneur en nickel de 16 % à 24 %. Plus important encore, l'équipe de recherche a réalisé un contrôle précis de la taille et de la morphologie des particules d'alliage – ce qui détermine directement l'efficacité de la séparation ultérieure de l'alliage de la gangue par des méthodes physiques. La contrôlabilité de la taille et de la morphologie des particules permet aux méthodes de séparation physique telles que la séparation magnétique de fonctionner efficacement.

Validation à l'échelle pilote : une étape clé du laboratoire à l'industrialisation

Ce procédé a été validé à l'échelle pilote (mini-plant scale), marquant le passage de cette technologie du stade du laboratoire à une base technique pour une mise à l'échelle industrielle. La recherche a bénéficié du soutien technique de Vale Base Metals et du financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).

Pourquoi l'« état solide à basse température » est-il crucial ?

La logique de l'extraction traditionnelle du nickel est la « fusion à haute température » – chauffer le minerai à une température bien supérieure à son point de fusion pour liquéfier les composants métalliques et les séparer. Cette voie est non seulement très énergivore, mais produit également inévitablement de grandes quantités de SO₂.

La logique innovante de l'équipe de l'Université de Toronto est le « déplacement à l'état solide » – à des températures bien inférieures au point de fusion, en utilisant la réaction chimique entre le fer et le sulfure de nickel pour permettre au nickel de migrer du minerai vers l'alliage à l'état solide. Les avantages de cette approche sont les suivants :

Réduction significative de la consommation d'énergie : la température de réaction passe de plus de 1 200 °C dans la fusion traditionnelle à moins de 950 °C ;

Pas besoin d'équipement de fusion : la réaction à l'état solide peut être réalisée dans des réacteurs plus simples ;

Le soufre est « verrouillé » : le soufre est stable sous forme de FeS solide, plutôt que d'être émis sous forme de SO₂ gazeux ;

Procédé simplifié : aucun système complexe de traitement des gaz n'est nécessaire.

En contrôlant précisément la température, l'atmosphère et la quantité de fer ajoutée, les chercheurs ont créé des conditions thermodynamiques favorables dans le réacteur, permettant l'enrichissement sélectif du nickel.

Débloquer 45 millions de tonnes de ressources en nickel, remodeler la chaîne d'approvisionnement mondiale

Mobiliser les ressources mondiales « dormantes » de nickel ultramafique

On estime que les minerais ultramafiques mondiaux contiennent environ 45 millions de tonnes de nickel non exploité. Ce chiffre représente une proportion significative des réserves mondiales prouvées de nickel. Si cette technologie est industrialisée, elle transformera ces ressources longtemps considérées comme des « déchets rocheux » en ressources de nickel économiquement exploitables, élargissant considérablement les limites d'utilisation des ressources mondiales en nickel.

Sécuriser l'approvisionnement en nickel pour la transition énergétique

Le nickel est un composant clé des matériaux de cathode des batteries lithium-ion (en particulier les matériaux ternaires à haute teneur en nickel). Avec la croissance explosive du marché des véhicules électriques, la demande mondiale de nickel s'accélère. Cette technologie offre une nouvelle source de ressources pour atténuer la pression sur l'offre de nickel, servant directement la transition énergétique mondiale.

Favoriser la transition verte de la production de nickel

La caractéristique zéro émission de SO₂ de ce procédé contraste fortement avec la fusion pyrométallurgique traditionnelle. Dans un contexte de mécanismes de tarification du carbone de plus en plus stricts à l'échelle mondiale, cette technologie offre aux producteurs de nickel une alternative à la fois économique et respectueuse de l'environnement, et pourrait devenir une nouvelle référence pour la production de nickel à faible teneur en carbone.

Le produit peut être directement destiné au raffinage de qualité batterie

L'alliage fer-nickel (16 % à 24 % de nickel) produit par ce procédé peut être transformé en nickel de qualité batterie par des procédés de raffinage conventionnels. Cela signifie que cette technologie ne se limite pas à la fusion primaire, mais peut s'intégrer de manière transparente aux besoins finaux de la chaîne industrielle des nouvelles énergies.

De la « malédiction des ressources » à la « libération des ressources »

Les minerais ultramafiques ont longtemps été considérés comme un « os de poulet » – des ressources abondantes mais difficiles à utiliser. Cette collaboration entre l'Université de Toronto et Vale a débuté en 2023 avec un partenariat minier durable établi entre les deux parties. Aujourd'hui, cette collaboration porte ses fruits.

La véritable valeur de cette technologie réside dans la redéfinition des limites des « ressources exploitables ». Alors que les ressources de haute qualité s'épuisent, l'innovation technologique transforme les « déchets rocheux » d'hier en « minerais riches » de demain. Comme le souligne l'article, ce procédé « élargit le paysage technique de l'extraction du nickel et contribue à la construction d'une chaîne d'approvisionnement mondiale en nickel plus équitable et plus résiliente ».

Alors que le marché mondial du nickel reste tendu et que les pays se disputent le déploiement de chaînes d'approvisionnement en minéraux critiques, cette technologie d'« extraction du nickel à l'état solide et à basse température » constitue sans aucun doute une bombe pour l'approvisionnement durable en ressources de nickel mondiales – mais cette fois, l'épicentre de l'explosion n'est pas un four à haute température, mais une « révolution à l'état solide » silencieuse.